大跨径三塔双主跨斜拉桥非线性风致静力失稳分析

大跨径桥梁的风致静力失稳问题不容忽视.我国一座建成后将是世界上跨度最大的三塔双主跨斜拉桥的空气静力稳定性值得关注.依据大跨径桥梁非线性风致静力失稳分析理论,考虑荷载非线性与几何非线性,采用优化的增量与内外两重迭代相结合的方法对该桥的空气静力稳定性进行了分析.描述了该桥特殊的失稳形态,讨论了拉索、桥塔和辅助墩对其空气静力稳定性的影响及机理,并从风荷载与结构刚度的关系解释了该桥的风致静力失稳机理.     

基于大涡模拟的高架栈桥断面绕流场分析

应用大涡模拟分析了某型高架断面的绕流场,并结合小波功率谱分析,发现随着风速的增加,栈桥断面的尾流涡旋的脱落频率也增加,进而栈桥断面的阻力系数、升力系数和扭矩系数的振动频率增加,而三个系数的振幅却随风速增加而减小。     

箱梁内腹板高度对斜拉桥静风稳定性的影响

以某主跨1 400 m斜拉桥方案的中央开槽箱梁断面为研究对象,对该断面内侧上腹板高度对斜拉桥静风稳定性的影响展开研究。通过节段模型测力试验,获取了不同断面的三分力系数,然后通过三维非线性静风稳定性分析,获得了不同断面对应斜拉桥在-3°,0°和+3°攻角下的静风失稳临界风速以及主梁跨中位移随风速的变化曲线。研究结果表明:对于所有断面,+3°是静风失稳的最不利攻角;随着内侧上腹板高度的增大,最低静风失稳临界风速由122 m/s降到115 m/s。内侧上腹板高度对斜拉桥静风稳定性有显著的影响,在实际工程设计中,需加以考虑。     

桥梁主梁风雨致静力试验研究

利用在大气边界层风洞中搭建的风雨联合作用试验系统,在不同风速和雨强组合作用下进行节段模型的静力三分力试验.通过分析不同雨强下节段模型的静力三分力系数,获取桥梁主梁断面在风雨联合作用下的静力特性.试验表明:随着雨强的增大,节段模型阻力系数增大,升力系数稍有变化,而扭矩系数基本不变,并进一步分析系数变化原因.     

紊流积分尺度对典型桥梁断面静力#br# 系数影响规律的风洞试验研究

为研究紊流积分尺度对典型桥梁断面静力系数影响的规律,文章通过在风洞中模拟紊流对典型桥梁断面进行测力试验。借助尖塔,格栅等方式模拟紊流的传统试验方法,难以模拟实际风场中的大紊流积分尺度。文章采用自主研制的主动控制翼栅,有效增大试验中风场的紊流积分尺度,通过控制主动控制翼栅的振动频率产生不同紊流积分尺度的风场。对单箱梁、双箱梁、桁架梁、边主梁、边箱梁五种典型桥梁断面在紊流下和均匀流下的静力系数进行了测定,其中紊流由主动控制翼栅产生。将五种典型桥梁断面在紊流下的静力系数和均匀流下的静力系数进行对比分析,结果表明在大紊流积分尺度下,阻力系数随紊流积分尺度增大而增大,且小于均匀流下的阻力系数值。结果也表明,在均匀流来测定桥梁断面静力系数对于实际工程应用是偏于安全的考虑,因此建议进行节段模型测力试验时,在均匀流中进行。     

弹性支撑覆冰导线气动力特性风洞试验研究

通过风洞试验的方法研究了新月形和D形覆冰导线的静态气动力系数在不同风速、不同攻角和不同弹性支撑刚度下的变化规律。试验模型采用实际导线加工而成,具有实际导线的粗糙表面。试验结果表明:覆冰形状是影响覆冰导线气动力特性的关键因素;对于新月形覆冰导线,当弹性支撑刚度最小时,在0°攻角附近高风速导致的初始扭转位移使导线的气动力系数曲线与低风速时有较大的差异。另外,风速的变化对新月形覆冰导线气动力系数的影响较大,这种影响随弹性支撑刚度的增大逐渐减小;对于D形覆冰导线,风速对导线气动力系数的影响主要体现在阻力系数的变化,这种影响随弹性支撑刚度的增加而增大。随着弹性支撑刚度的增大,新月形覆冰导线的升力和力矩系数曲线在攻角为0°~15°范围内形成明显的突峰现象,D形覆冰导线的升力和力矩系数最大值对应的攻角位置出现了向后推移现象。     

考虑雷诺数效应的斜拉索气动力试验研究

由于大跨度斜拉桥斜拉索的风荷载在全桥风荷载中占很大比重,因此准确掌握斜拉索的风荷载对大桥的设计工作是十分重要的。通过风洞试验,测试斜拉索的阻力和升力,得到力系数随雷诺数的变化规律,证实在临界雷诺数区域有平均升力的产生,其最大升力系数远大于此雷诺数时对应的阻力系数,忽略升力的存在可能导致斜拉索风荷载的计算结果偏小;将阻力系数和升力系数合成为合力系数,并与规范值比较,发现只有当雷诺数超过一定数值之后,规范的算法才是安全的,雷诺数小于此值尤其是在临界雷诺数区域,合力系数比规范值超出较大。针对苏通长江公路大桥和南京长江第二大桥,利用试验结果和规范值,对斜拉索的风荷载分别进行计算分析,发现利用本文方法计算的合力并不随风速的增大单调增长,而是在一定的风速时取得极大值;利用静阵风风速计算风荷载,按桥规计算的结果在某些情况下偏小,建议规范适当考虑气动升力对斜拉索风荷载的贡献。     

大跨度桥梁空气静力失稳机理研究

在综合考虑结构几何非线性和静风荷载非线性的基础上提出一种大跨径桥梁空气静力稳定性的计算方法 ,并编制了相应的计算软件BNAP。然后分别对汕头海湾二桥 (斜拉桥 )和虎门大桥 (悬索桥 )的空气静力稳定性进行了计算。从计算结果中主梁跨中点处位移随风速的变化图入手 ,选取几个关键点 ,结合这几个关键点处结构的变形情况和对应的三分力系数变化情况 ,详细探讨了结构空气静力失稳机理     

某高校主楼屋顶权杖结构抗风性能研究

为保障某高校主楼屋顶权杖结构的抗风安全性,对其进行了刚性模型风洞测力试验研究。分析了升、阻力系数及升、阻力矩系数随风速及风向角的变化规律。结果表明,升力系数均值在0附近,升力系数均方根均在0.1附近,而0°风向角下,阻力系数均值的变化范围为1.25~1.41,阻力矩系数均值在0.8附近;90°风向角下,阻力系数均值的变化范围为0.98~1.15,阻力矩系数均值在0.6附近。通过贴砂纸来改变表面粗糙度,探讨了表面粗糙度对横风向振动的影响,发现漩涡脱落频率和斯托罗哈数随着表面粗糙度的增加而减小,说明表面粗糙度会影响漩涡脱落规律,改变漩涡脱落频率,但是升力系数均方根随风速变化较小,未出现突然增大的现象,即未出现涡激共振。此外还研究了缠绕金属线对结构气动特性的影响,发现缠绕金属线对漩涡脱落频率、斯托罗哈数和升力系数均方根的影响不大,说明缠绕金属线没有改善结构气动性能。     

风雨耦合作用下桥梁主梁静力三分力系数研究

针对风雨耦合作用下桥梁主梁的静力三分力变化问题,首先对降雨特性做了简要介绍,然后对降雨引起的空气密度改变、降雨对结构的冲击力及简化计算模型、结构表面积水厚度进行了分析。最后以4类典型主梁断面为例,进行了不同雨强下节段模型静力三分力测试。结果表明:降雨引起空气密度改变很小,即使雨强达到300 mm·h^-1,改变量不超过1%;雨强达到上述超强暴雨时,结构竖向冲击力仅为0.67 Pa,同样雨强且风速为50 m·s^-1时,水平冲击力约为100 Pa,占同等风速下纯风作用力的6.5%,而且其随风速的增长率要远小于风作用力的增长率;随着雨强的增大,主梁升力系数明显减小,小风时可达到无雨时的数倍,扭矩系数无规律变化,阻力系数有所增大但比例十分有限;随着风速增大,降雨的影响会相对弱化;试验结果验证了通过质量加权平均简化后的雨滴冲击力计算公式的正确性。     

风雨联合作用下大跨桥梁颤振稳定性试验研究

针对风雨联合作用下的大跨桥梁颤振稳定性,以一开槽双箱梁桥梁为研究对象,通过在大气边界层风洞中搭建的风雨联合作用试验系统,完成基于自由振动法的节段模型颤振试验。通过分析不同雨强下该桥梁主梁的颤振导数以及颤振临界风速,进而获取降雨对大跨桥梁颤振稳定性的影响规律。试验结果显示:颤振导数随雨强变化而变化,其中体现扭转气动阻尼特性的颤振导数变化较为显著,随雨强增大,颤振临界风速先增大后减小。试验结果表明:降雨对大跨桥梁的颤振导数以及颤振临界风速均有一定影响。     

风驱雨作用下桥梁主梁颤振节段模型试验研究

针对风驱雨作用下桥梁主梁的颤振问题,依据风驱雨作用和主梁振动特点,给出了分别考虑雨滴冲击和表面积水后的降雨相似关系,并探讨了其选取原则。选取大跨度桥梁较常采用的典型断面,通过节段模型试验模拟了风驱雨对主梁断面的颤振导数和颤振发生过程的影响。试验结果表明:主梁断面的颤振气动导数随雨强的变化无明显规律,各导数的变化量值相当,随风速增加,降雨引起的导数变化有所加大,但基本没有改变其随风速变化的整体趋势,试验雨强120mm/h时,模型颤振临界风速会有20%～30%左右的提高,但考虑雨强相似比后可以认为降雨对桥梁主梁的风致颤振失稳特征的影响基本可以忽略。     

Experimental study of aerodynamic interference effects on aerostatic coefficients of twin deck bridges

The aerodynamic interference effects on aerostatic coefficients of twin deck bridges with large span were investigated in detail by means of wind tunnel test. The distances between the twin decks and wind attack angles were changed during the wind tunnel test to study the effects on aerodynamic interferences of aerostatic coefficients of twin decks. The research results have shown that the drag coefficients of the leeward deck are much smaller than that of a single leeward deck. The drag coefficients of a windward deck decrease slightly compared with that of a single deck. The lift and torque coefficients of windward and leeward decks are also affected slightly by the aerodynamic interference of twin decks. And the aerodynamic interference effects on lift and torque coefficients of twin decks can be neglected.     

非圆截面斜拉索气动性能风洞试验研究

大跨度斜拉桥斜拉索上的风荷载对于主梁位移和内力的贡献占整个风荷载的60%~70%,斜拉索的气动力是静力和稳定性检算的基础,准确掌握斜拉索的气动力具有重要意义。通过天平测力风洞试验,在雷诺数为10×104~42×104,对直径为120mm的圆形截面斜拉索模型和3种非圆截面模型进行测力试验,得到各个工况下阻力系数随雷诺数的变化规律,分析截面变形、风向角对阻力系数的影响。结果表明：斜拉索截面变化能够增强雷诺数效应,风向角在0°~30°情况下,阻力系数随斜拉索截面变形的程度呈单调减小的趋势;风向角在40°~90°情况下,阻力系数随斜拉索截面变形的程度呈单调增大的趋势。将气动力系数和风向角度按照亚临界、临界和超临界雷诺数区域进行分区,得到各个区域内阻力系数的数值和拟合公式,通过拟合公式,可以方便地为类似截面结构的风荷载设计提供依据。     

大跨屋盖结构风洞试验模型的设计方法讨论

通过理论分析及风洞试验研究大跨屋盖结构风洞试验的模型设计问题。以气承刚度理论为主线阐述了内压传播方程及赫姆霍兹频率、四周封闭屋盖结构及墙面开孔屋盖结构的频移特性和气承刚度的相似性模拟准则,考虑了墙体柔度在理论分析中的关键作用。设计制作了大跨平屋盖刚性模型和气弹模型进行墙面开孔前后的风洞试验,试验结果与理论分析较为吻合。研究结果证明了气承刚度相似性模拟在大跨屋盖结构风洞试验中的基础性作用,并指出在模型设计中调整结构内部容积是模拟气承刚度最有效的措施,而保证刚度比的一致性则是试验成功的关键。     

Influence of some factors on the aerodynamic behavior of long-span suspension bridges

As the span length of suspension bridges increases, the diameter of cables and thus the wind load acting on them, the nonlinear wind-structure interaction and the spatial non-uniformity of wind speed (including the vertical and horizontal variations) all increase consequently, which may have unnegligible influence on the aerostatic and aerodynamic behavior of long-span suspension bridges. In this paper, the models of aerostatic and aerodynamic forces are established, in which the nonlinear wind-structure interaction and the spatial non-uniformity of wind speed are both considered. By taking the Runyang Bridge over the Yangtze River as example, effects of the nonlinear wind-structure interaction, wind speed spatial non-uniformity, and the cable's wind load on the aerostatic and aerodynamic behavior of the bridge are investigated analytically. The results show that the aerostatic behavior is significantly influenced by these factors, but for the aerodynamic stability, it is greatly influenced by the nonlinear wind-structure interaction and the horizontal variation of wind speed, and the other factors have no influence on it.     

Aerodynamic interference effects and mitigation measures on vortex-induced vibrations of two adjacent cable-stayed bridges

By examining the two neighboring Haihe Bridges with semi- and full-closed bridge decks, the aerodynamic interference between the two decks on the vortex-induced vibration (VIV) and the corresponding aerodynamic mitigation measures are investigated via a series of wind tunnel tests with a spring-suspended sectional model aided with computational fluid dynamics (CFD) method. The results show that the VIV responses of both bridges can be significantly affected by the aerodynamic interference and that the extent of the influence varies with the shapes of the windward and leeward decks. The VIV amplitudes of the windward bridge are often fairly close to those of the single bridge. However, those of the leeward bridge are magnified substantially by aerodynamic interference if the same structural and aerodynamic configurations are adopted for the two bridges. Otherwise, the VIV responses are not significantly increased and may even be reduced by the aerodynamic interference if different configurations are employed for the two bridges. Furthermore, an effective combined measure of adding wind barriers and sharpening the wind fairing noses of the two box decks is presented for mitigating both the vertical and torsional VIV responses of the windward and leeward bridges.     

主梁断面形状对车-桥系统气动特性影响的风洞试验研究

确定车辆和桥梁各自的气动参数是车-桥耦合振动分析的基础。为研究主梁断面形状对车辆和桥梁气动特性的影响,利用自制的三分力分离装置-交叉滑槽系统,针对8种分离式双箱主梁断面进行多工况模型风洞试验。通过对不同模型及工况试验结果的对比,讨论不同主梁断面形状下车-桥系统的雷诺数效应,得出不同行车位置处车辆和桥梁各自气动参数随主梁宽高比的变化规律以及其阻力系数的取值方法,为后续抗风设计及风-车-桥耦合振动研究提供参考。     

风嘴几何参数对双边箱式Π型梁涡振性能的影响

为研究风嘴几何参数对双边箱式Π型梁涡振性能的影响,设计了包括原断面在内的4类试验组合,共计14种试验工况,通过节段模型测振试验,测得不同工况下Π型梁涡振振幅随试验风速的变化,分析了0°风攻角下不同风嘴长度和尖端高度对双边箱式Π型梁涡振振幅、锁定区间长度和起振风速的影响。采用SST k-ω模型进行计算流体力学分析,模拟了原断面和不同风嘴措施下双边箱式Π型梁断面周围的流场特性,结合静态绕流涡量演化图探讨了不同风嘴措施的涡振抑制机理。结果表明:多数风嘴措施能有效抑制双边箱式Π型梁的竖弯涡振,同时降低其扭转涡振振幅; 尖端高度与梁高之比为5/6时,该Π型梁的涡激共振被完全抑制,涡振性能表现良好; 增大风嘴长度和令风嘴尖端朝下有助于减小断面的涡振振幅和锁定区间长度,提高起振风速,对该Π型梁的抑振效果更显著; 双边箱式Π型梁原断面涡激共振明显,安装风嘴能减弱上表面气体的流动分离,减小漩涡尺度,有利于抑制涡振; 双边箱式Π型梁下表面周期性脱落并移动的漩涡是其扭转涡振的驱动性因素。     

Experimental study of aerodynamic interference effects on aerostatic coefficients of twin deck bridges

The aerodynamic interference effects on aerostatic coefficients of twin deck bridges with large span were investigated in detail by means of wind tunnel test. The distances between the twin decks and wind attack angles were changed during the wind tunnel test to study the effects on aerodynamic interferences of aerostatic coefficients of twin decks. The research results have shown that the drag coefficients of the leeward deck are much smaller than that of a single leeward deck. The drag coefficients of a windward deck decrease slightly compared with that of a single deck. The lift and torque coefficients of windward and leeward decks are also affected slightly by the aerodynamic interference of twin decks. And the aerodynamic interference effects on lift and torque coefficients of twin decks can be neglected. __________ Translated from Journal of Hunan University (Natural Science), 2008, 35(1): 16–20 [译自: 湖南大学学报(自然科学版)]