斜拉索风致振动疲劳的分析

本文研究了斜拉索的风致振动疲劳问题。首先,假设在任一应力循环周期内, 考察点的最大与最小应力之差符合Rayleigh分布。其次,推导出斜拉索的疲劳可靠度计算公式;根据桥梁结构的疲劳目标可靠度, 给出简单明了的斜拉索疲劳寿命计算公式。第三,在目前既有研究的基础上,进一步评价不同的风攻角对疲劳可靠度和疲劳寿命的影响。最后,论文以松花江斜拉桥中的斜拉索为实例,计算分析了在不同的风攻角情况下斜拉索上各节点应力时程和位移时程,并得出在不同风攻角下各节点的应力响应根方差。于是,根据最危险工况作为疲劳寿命评估的考察点计算出斜拉索的最短疲劳寿命,以验证其风致振动疲劳的性能。     

多龄期桥梁斜拉索疲劳损伤演化声发射监测技术研究

斜拉索在斜拉桥体系中有着举足轻重的作用,但易遭受腐蚀和疲劳累积损伤。目前对多龄期斜拉索腐蚀疲劳损伤演化规律的研究还较少。拟采用声发射技术监测国内某大桥腐蚀斜拉索疲劳损伤演化过程。首先,通过拉伸试验,得到了斜拉索中腐蚀钢丝和未腐蚀钢丝的应力-应变关系曲线,其实验结果表明腐蚀对斜拉索力学性能有较大的影响;其次对大桥拆下来的多龄期斜拉索进行疲劳测试,运用声发射技术监测了它的动态损伤过程,获得了斜拉索整个损伤过程的声发射特征参数,根据声发射累积能量参数分析结果,得到了多龄期斜拉索疲劳损伤演化规律;最后,对斜拉索疲劳损伤演化的各个阶段声发射波形进行小波分析,提取出各自的特征波形,并运用FFT分析其频率分布范围,进一步分析了损伤的形成原因,实现了对多龄期斜拉索损伤声发射源类型的确定     

表面损伤的斜拉索平均气动阻力特性的试验研究

斜拉索作为斜拉桥的重要受力构件,其风荷载设计在桥梁抗风设计中具有重要意义。斜拉索在生产、运输和安装过程中有可能受到损伤,针对不同程度表面损伤的斜拉索,利用风洞测力试验,研究了亚临界、临界和超临界雷诺数区域损伤程度对斜拉索气动阻力的影响,并得到了表面损伤斜拉索气动阻力的计算方法。结果表明:在一定的风向范围内,斜拉索表面损伤对其气动阻力影响显著,在亚临界区,表面损伤模型阻力系数大于光滑模型;进入临界区后,表面损伤模型的阻力系数则小于光滑模型;在超临界区,二者又比较接近。随着划痕的加深,临界区起始雷诺数提前,且在临界雷诺数区,随着雷诺数的增大,阻力系数减小。对不同损伤程度斜拉索的阻力系数进行拟合,得出相应的计算公式,以方便斜拉索气动阻力的估算。     

凹痕对斜拉桥斜拉索气动性能影响研究

斜拉索具有长细比大、柔度大、阻尼小等特点,其风荷载和风致振动研究具有重要工程意义。通过测力和测振风洞试验,对具有特定形状、尺寸凹痕的斜拉桥斜拉索气动力和风致振动性能进行了研究,分析了风攻角和雷诺数对具有凹痕斜拉索平均阻力系数和平均升力系数的影响规律,研究了风攻角和雷诺数对具有凹痕斜拉索临界区振动特征值(振幅和平衡位置)的影响规律,结果表明:风攻角对具有凹痕斜拉索的气动力系数随雷诺数变化曲线影响明显,30°和60°风攻角下,临界雷诺数减小,临界区宽度增加;在试验雷诺数范围内,具有凹痕斜拉索在不同风攻角下最大振幅差别较大,60°风攻角时最大,30°风攻角时最小,而平衡位置偏移最大值在各个风攻角下基本相同。     

亮化灯具对既有斜拉索风致振动影响的试验研究

为了装点城市夜景,对既有大跨度斜拉桥进行光彩亮化改造已成为一种趋势,但是安装照明灯具将显著改变斜拉索的气动形状,影响结构气动稳定性。为保证结构的安全及耐久性,通过风洞试验研究了安装灯具后斜拉索的抗风性能,评价亮化灯具对既有斜拉索产生的影响。以三种不同管径斜拉索为研究对象,制作了几何缩尺比为1∶1的节段模型,开展了测力和测振的风洞试验。研究结果表明:灯具的存在将显著改变斜拉索的气动外形,提高其背风侧漩涡脱落的频率,使斜拉索在更低的来流风速下就具备发生涡激共振的可能性。此外,灯具对斜拉索风雨激振的影响较为有限,对斜拉索干索驰振有一定的抑制作用。     

不同粗糙度斜拉索气动力特性和风荷载计算方法研究

大跨径斜拉桥斜拉索上的风荷载对主梁的位移和内力的贡献占全桥的主要部分,准确掌握斜拉索上的风荷载,对于桥梁的抗风设计具有重要的意义。通过风洞试验,得到了8种具有不同表面粗糙度斜拉索的气动力系数随雷诺数的变化规律,研究了粗糙度对斜拉索雷诺数效应和气动力特性的影响,以实桥为例分析了斜拉索最大风荷载的计算方法。结果表明:斜拉索表面的粗糙度对气动力具有明显的影响,随着粗糙度的增大,雷诺数效应随之减弱;不同粗糙度的斜拉索,最大风荷载对应的风速不同,计算方法也不同,实桥设计时应根据斜拉索的具体表面粗糙状态确定其最大风荷载的数值。     

O型套环对斜拉索涡激振动影响的试验研究EI北大核心CSCD

斜拉索的涡激振动起振风速低,发生频繁,可能造成斜拉索的疲劳破坏,因此,斜拉索涡激振动的控制措施研究和设计十分重要。根据斜拉索涡激振动机理,提出O型套环这种气动措施来控制涡激振动,通过风洞试验,比较了标准斜拉索和套环斜拉索的涡激振动响应,研究了套环几何参数对斜拉索涡激振动的控制效果和影响规律,并初步分析了抑制振动的机理。结果表明:套环可以有效抑制斜拉索涡激振动,不同试验参数套环可将原振幅减小13%~98%;从总体趋势来说,套环宽度和厚度越大、间距越小,套环对斜拉索涡激振动的控制效果越好;安装O型套环之后,斜拉索外形表现出三维几何特征,流场的三维性被加剧,进而卡门涡的规则脱落和涡激振动被减弱。     

两种典型覆冰斜拉索气动特性及驰振分析

应用FLUENT中的SST k-ω模型对不同风速下三维新月形、D形覆冰斜拉索的绕流场进行数值模拟,得到了0°~60°风攻角下的阻力系数、升力系数以及驰振力系数,并与直向拉索的模拟数据进行对比,进而研究风速、覆冰类型、风攻角以及斜向角度对拉索气动特性和驰振稳定性的影响规律。结果表明:风速、覆冰类型、风攻角以及斜向角度对覆冰斜拉索的阻力系数、升力系数均有影响,且影响规律不尽相同;经过计算,在特定风攻角处,覆冰斜拉索的驰振力系数小于0,具有发生覆冰驰振的可能性;通过比较各模拟数据,可以看出直索不能代替斜拉索进行数值模拟来研究其气动特性及驰振稳定性。     

斜拉索风雨激振试验新装置的设计与应用

针对石家庄铁道大学回直流可变大气边界层风洞,设计了一种用于斜拉索风雨激振试验的新装置,介绍了该装置的各组成部分及工作原理。应用该装置开展了一系列的风雨激振风洞试验,研究了斜拉索的倾角、降雨强度、来流风偏角和来流风速等参数对斜拉索风雨激振的影响。试验结果表明,该装置不仅可以比较方便地调节斜拉索的倾角和斜拉索与来流风之间的偏角,而且可以实现自然雨滴特性的模拟和雨量的控制;针对选定的直径为155 mm的斜拉索,在倾角为25°、风偏角为35°、降雨强度为10 mm/h、风速为13 m/s左右的条件下,斜拉索风雨激振的幅度最大。     

斜拉桥斜拉索表面损伤状态下风致振动特性研究

斜拉桥斜拉索在生产、运输、安装和运营过程中,可能产生划痕、裂缝等损伤,研究斜拉索在表面损伤状态下的风致振动特性,对于准确评估斜拉索在其服役期内的气动稳定性能具有重要意义。通过对光滑和表面存在凹痕的斜拉索模型进行风洞测振试验,分析了雷诺数、来流风向和凹痕尺寸等参数对斜拉索风致振动特性的影响规律,并对振动状态进行了初步判断。结果表明,表面存在凹痕的斜拉索模型的振动特征随雷诺数的整体变化趋势近似于光滑模型,但存在最不利风向,在此风向下,与光滑模型相比,表面存在凹痕的斜拉索模型的风致振动不仅在较低雷诺数发生,而且振幅较大,发生振动的雷诺数区间也较宽。此外,凹痕尺寸对斜拉索模型在试验雷诺数范围内风致振动特性的影响也非常显著,但并非简单的单调关系,而是与来流风向相关。根据模型风致振动频率与Den Hartog驰振准则,初步判断此风致振动不为涡激振动,而为驰振。     

不同风向角下斜拉桥拉索模型测压试验研究

研究风雨共同作用时拉索的气动力特性对建立拉索风雨激振理论模型是非常重要的。设计、制作了用于测压试验的拉索模型,以及可方便调节风向角的试验装置,并在风洞中进行了拉索模型的同步测压试验。试验得到了典型倾角的拉索模型在不同风向角时的平均和脉动风压系数和气动力系数。这些结果为建立精细的理论模型提供了基础。     

风、列车作用下斜拉桥索-梁相关振动对拉索疲劳可靠性的影响

以实际大跨度斜拉桥为研究对象,研究了随机风、列车作用下发生的索-梁相关振动对拉索疲劳可靠性的影响。使用编制的动力有限元计算程序,建立了大跨度铁路斜拉桥全桥3维精细有限元模型,计算了斜拉桥全桥在风、列车动力作用下的振动响应,分析了全桥索-梁相关振动的特性。建立了列车交通荷载概率模型,根据桥位处风速统计数据资料建立了桥梁的风荷载概率模型,对拉索的应力谱进行了计算。依据损伤理论,使用Monte-Carlo方法开展了拉索在风、列车动力作用下的疲劳可靠度分析。研究结果表明:在斜拉桥日常运营状态中,风、列车作用下索-梁相关振动不会导致拉索共振,索-梁相关振动是拉索疲劳可靠性下降的主要原因;对于拉索在长期动力荷载下的疲劳失效概率,风场作用占比很小,列车作用占比较大;各个拉索的成桥状态索力影响了列车作用下的拉索应力幅,进一步影响了斜拉桥在长期动力作用下拉索的疲劳可靠性。     

斜拉桥拉索风雨激振的实验和理论研究

设计制作了可方便调节拉索模型倾角和风向角的试验装置以及用于测压试验的带人工雨线的拉索模型，在风洞中进行了试验，测量获得了具有典型倾角的拉索在不同风向角下，拉索和水线模型上的气动力。在此基础上，发展了三维刚性节段拉索模型和三维连续拉索风雨激振的理论模型。和以往的理论模型不同，在该模型中，分别建立拉索和水线的运动方程。应用这一理论模型，计算了拉索风雨激振响应，并分析了其机制。     

斜置拉索表面脉动风力特性研究

采用一套可调节拉索模型倾角和风向角的试验装置,通过同步测压风洞试验,测得了三维拉索（考虑了拉索的倾角和风向角）表面的脉动风压分布。风洞试验考虑了风向角和Re数的影响,试验风向角为0～45°,试验 Re数为1.17×105 和2.34×105,两种Re数分别处在亚临界区和临界区内。通过进一步的分析,得到了两种Re数下风压功率谱、脉动风力和风力功率谱随风向角的变化情况。研究表明：随着风向角的增大,斜拉索的Strouhal数逐渐减小;当Re数进入临界区后,拉索的脉动风压分布和脉动风力将发生很大变化     

双层桥面桁架梁三塔悬索桥颤振性能优化风洞试验

双层桥面桁架梁气动性能复杂,已有研究较为少见。以某双层桥面桁架三塔悬索桥设计方案为背景,通过节段模型风洞试验,研究了栏杆透风率与高度、双层桥面板中央开槽、中央稳定板等多种气动措施对颤振临界风速的影响。结果表明:该桥原始断面在-3°、0°、+3°三种风攻角下,颤振临界风速均小于颤振检验风速,存在发生颤振失稳的可能性;中央稳定板的高度对颤振临界风速影响较大,上层桥面设置上中央稳定板能提高桥梁的颤振临界风速;上、下双层桥面板均中央开槽能够显著提高0°风攻角下的颤振临界风速,但使正攻角下的颤振临界风速有所降低;采用上、下双层桥面板中央开槽、合理地设置中央稳定板和改变栏杆透风率等气动综合措施,能使该桥在各攻角情况下的颤振临界风速满足要求。     

高速铁路接触线气动参数仿真及风振响应研究

为深入研究接触网系统在风载荷作用下接触线形成的风振响应,采用流体力学软件Fluent模拟计算形状不规则接触线截面的气动力参数,由其获得接触线与承力索的风载荷模型。在有限元软件MSC-Marc中建立京津城际铁路接触网整体模型,并利用MSC-Marc用户子程序功能实现接触网中接触线及承力索的风载荷动态输入,求解得接触线在不同风速、不同初始风攻角风载荷作用下产生的风振响应。结果表明,由于接触线的气动特性,任意风攻角风载荷作用下接触线竖直方向振动位移均值为负值,会加剧弓网间相互作用;接触线扭矩系数很小可忽略不计,接触线发生驰振原因之一为升力系数随攻角变化较大,在风攻角25º左右最可能发生驰振现象。     

双层桥面桁架梁软颤振特性风洞试验研究

随着城市交通量的日益增大,双层桥面桁架梁的应用需求日益增加,研究其颤振特性有助于提升该类加劲梁的抗风设计水平。以武汉杨泗港长江大桥双层桥面桁架主梁为对象,利用节段模型自由振动风洞试验,测试了该主梁模型在不同工况下的软颤振特性,对比了不同风速条件下软颤振形态的异同。研究表明,双层桁架梁在试验中表现出了明显的软颤振特性,其振幅也随风速增加而增大。在0°风攻角的各级试验风速下,软颤振形态均表现为偏心扭转运动;在3°和5°风攻角下,起初表现为弯扭耦合运动,随着风速增大,弯扭耦合运动相位差逐渐减小;当风速增大到某个值后,弯扭耦合相位差为零,耦合颤振转变为偏心扭转颤振。无论是在连续的升风到降风过程中,还是在固定风速下给予不同初始激励,模型的软颤振振幅与折算风速之间具有唯一对应关系,不存在同一折算风速对应不同振幅的情况以及不同折算风速对应相同振幅的情况。最后从气动阻尼同时随振幅和折减风速变化的角度初步解释了双层桁架梁软颤振的发生机理。     

Buffeting-induced fatigue damage assessment of a long suspension bridge

As modern suspension bridges become longer and longer, buffeting-induced fatigue damage problem for the bridges located in strong wind regions may have to be taken into consideration. Furthermore, there is a trend to install wind and structural health monitoring systems (WASHMS) to long suspension bridges for performance assessment. A systematic framework for assessing long-term buffeting-induced fatigue damage to a long suspension bridge is thus presented in this paper by integrating a few important wind/structural components with continuum damage mechanics (CDM)-based fatigue damage assessment method. By taking the Tsing Ma Bridge in Hong Kong as an example, a joint probability density function of wind speed and direction is first established based on wind data recorded by the WASHMS installed in the bridge. A structural health monitoring-oriented finite element model of the bridge and a numerical procedure for buffeting-induced stress analysis of the bridge are then used to identify stress characteristics at hot spots of critical steel members under different wind speeds and directions. The accumulative fatigue damage to the critical steel members at hot spots during the bridge design life is finally evaluated using a CDM-based fatigue damage evolution model. The proposed framework is found to be feasible and practical.     

Auto‐adaptive multiblock cycle jump algorithm for fatigue damage simulation of long‐span steel bridges

An algorithm is developed for fatigue damage evolution simulation of long‐span steel bridges based on continuum damage mechanics (CDM) in this study. The progressive fatigue damage from local component damage evolution to entire structural failure is simulated with nonstandard varying block cycle length, which is automatically obtained during computation to speed up fatigue evolution simulation without user intervention. In this paper, progressive fatigue damage evolution of the Stonecutters cable‐stayed bridge due to vehicle loading is simulated by using the proposed algorithm and the bridge model. It shows that the algorithm is effective, and it can improve the computational efficiency of fatigue damage simulation of a large‐scale steel bridge.