基于改进尾流振子模型的超长拉索涡激振动特性数值研究

为了研究大跨度斜拉桥超长拉索在不同流场特性下的高阶多模态涡激振动问题，以牛顿定律为基础，建立了考虑张力变化以及垂度效应的拉索结构振子方程，引入改进的Van Der Pol式尾流振子模型，以加速度耦合两非线性振子，提出了一种简便的拉索涡激振动流固耦合预报模型；采用二阶中心差分法，对两振子方程在空间域和时间域进行离散迭代求解，编制了拉索涡激振动的MATLAB计算程序，并验证了其可靠性。该方法为研究拉索涡激振动提供了一种新思路，可解决风洞试验和数值软件（CFD）不便模拟大长细比拉索结构的问题。基于提出的预报模型，以1根330 m超长拉索为研究对象，分析了拉索多模态涡激振动特性，探讨了不同流场特性对拉索涡激振动的影响。研究结果表明：均匀流作用下，拉索发生涡激锁定现象，以单一模态发生振动，随着风速的增加，拉索涡激锁定区间增大而最大振幅不发生改变；剪切流作用下，拉索发生多模态涡激振动，位移响应呈现"拍"的特点，振动频率分布在Strouhal涡脱频率范围内，存在2个或3个主导频率，主导频率全程参与振动，非主导频率间歇参与振动；拉索多模态涡激振动位移响应表现为行波-驻波并存的状态，随着风剖面指数的增加，涡激振动行波效应显著。     

基于位移测量的非线性涡激力模型参数识别方法

利用半经验数学模型来近似表示涡激力是目前研究涡激共振所采用的主要方法，但关于非线性涡激力模型参数的试验识别研究还较少，现有识别方法也有待改进。为了更方便可靠地识别非线性涡激力模型中的参数，根据能量等效原理推导出一种基于节段模型位移响应的气动参数识别新方法。通过节段模型风洞试验测得中央开槽箱梁断面的扭转涡激共振位移响应，应用新方法识别简化非线性涡激扭矩模型中的气动参数，并对参数识别精度做出评价。将新方法与Ehsan等所建议的位移法以及基于实测力时程的三步最小二乘拟合法进行了对比。结果表明：利用新方法识别得到的气动参数可以较好地预测系统的扭转涡激共振位移响应；基于一致的系统线性机械参数，新方法识别得到的气动参数与Ehsan等所建议位移法的识别结果基本相同，而新方法能进一步考虑对识别结果影响较为显著的机械参数非线性特性；当新方法考虑非线性机械参数时，其识别结果和基于实测力时程的三步最小二乘拟合法相比也十分吻合，并且新方法更为简便。     

基于监测大数据的涡激振动影响因素分析

为从监测大数据中提取影响桥梁涡激振动的特征参数,及时预测涡激振动,以某跨海大桥为背景,对该桥2013～2015年的涡激振动监测数据进行梳理,分析风参数以及能量集中系数等结构振动响应因素在涡激振动中的特异性,根据涡激振动特征参数建立动态监控模型,并应用于该桥中。结果表明:涡激振动主要发生在顺风向平均风速为4～13m/s低风速以及300°～330°、120°～150°风向角间;竖向平均风速、风攻角、湍流度、阵风因子均不宜作为涡激振动预测分析参数;能量集中系数与加速度均方根值可作为桥梁是否发生涡激振动的进一步判断条件;涡激振动动态监控模型可及时预测涡激振动,且实际应用效果较好。     

Larsen广义涡激振动模型在大跨度桥梁抗风设计中的应用

基于Allan Larsen广义单自由度涡激振动模型,借鉴Wilkinson沿跨向涡激力相关性函数试验结果,建立大跨度桥梁主梁沿跨向涡激振动描述体系,并探讨节段模型试验识别气动参数方法。以一座大跨斜拉桥为例,在考虑了振型、涡激力相关性和阻尼作用后,根据主梁节段模型风洞试验识别气动参数,并计算其沿跨向竖向涡振响应。     

不同尺度扁平箱梁节段模型涡激振动风洞试验

大跨度桥梁涡激振动振幅的判定,采用大尺度主梁节段模型风洞试验可得到更精细的结果。为分析模型尺度对试验结果的影响,通过对南京长江四桥主梁1∶50和1∶20两种几何尺度扁平箱梁节段模型的涡振试验,对比两者在涡振振幅、涡振风速、涡振区、St等方面的差异,并结合雷诺数效应、阻尼比、模型细部模拟等影响因素进行分析。得知模型几何尺度越大,Re和St越大,CD越小,涡振振幅越小;常规尺度模型细部模拟的误差可能会显著影响涡振振幅;Sc增大时,锁定状态下结构振幅减小,涡振区也随之变窄,但Sc增大并不改变St数。     

圆柱结构涡激共振耦合效应及其抗风设计参数

为了解决亚临界区圆形断面细长结构涡激共振抗风设计参数取值不明确的问题,针对土木工程领域小直径圆形细长结构在亚临界区的涡激共振现象,对其涡激共振耦合效应进行了研究,获得其抗风设计的主要气动力参数。采用弹性悬挂节断模型风洞试验,模型两侧采用斜置上下不等刚度的弹簧提供三自由度的振动模型,试验风速对应的雷诺数区位于亚临界雷诺数区,分别测试风速增大和减小2种状态下模型的涡激共振,试验采用激光位移计和压力扫描阀同步测试模型振动位移和表面风压,通过分析位移和风压之间的关系,揭示涡激共振发生的耦合状态,并基于涡激共振抗风设计的要求,给出涡激共振锁定区间、气动力系数等抗风设计参数。结果表明：风速增大和减小2种状态下,涡激共振的耦合状态不同,风速增大过程中锁定区间更长;在锁定区间内存在强耦合和弱耦合2种机理的耦合状态,强耦合状态下的升力系数标准差和平均阻力系数值更大,旋涡脱落频率更强,气动力和流场的波动也更强;基于此,建议在对亚临界区的圆形断面结构进行涡激共振设计时,锁定区间为1.0~1.3倍起振风速,其中1.0~1.1倍起振风速范围内按照强耦合状态设计并考虑由耦合效应引起的气动力增强,1.1~1.3倍起振风速范围内按照弱耦合状态设计。     

斜拉索涡激振动的被动自吸吹气流动控制

圆形斜拉索长细比大、阻尼及刚度小，因而其经常发生风致振动，尤其是涡激振动。涡激振动是一种限幅振动，其发生风速较低，因而斜拉索经常发生涡激振动现象，为此提出一种被动自吸吹气流动控制措施来抑制斜拉索涡激振动。通过节段模型气弹试验得到，被动吸吹气控制方法在套环间距适当下使得斜拉索涡激振动区间变窄，甚至可以完全抑制其发生涡激振动。通过分析斜拉索节段模型表面压力分布，得到被动自吸吹气能大幅度降低压力脉动值和脉动风荷载；且模型背风面的平均压力值的平台区也有所提升，表明平均阻力也有所减小。频谱分析表明：此控制方法改变了旋涡脱落模式及脱落强度。最后由尾流速度剖面可得，被动吸吹气流动控制方法缩小了模型尾流区宽度，尾流中的速度脉动也极大降低。折算风速为5.99时，对尾流速度时程做频谱分析可得，吸吹气控制方法能抑制住无控圆柱模型尾流中周期性交替脱落的旋涡。套环控制方法应用于三维柔性索性索模型上，能极大地降低柔性斜拉索的前三阶涡激振动幅值，同时发现套环间距越小，控制效果越强。     

重庆永川长江大桥涡激振动性能风洞试验研究

为研究在常遇风速下混合梁斜拉桥的涡激振动性能及抑振措施,以半飘浮体系七跨连续双塔混合梁斜拉桥——重庆永川长江大桥为背景,设计基于1∶50主梁节段模型风洞试验,测试在不同阻尼体系下检修车轨道、导流板对涡激振动性能的影响,并对主梁外挂排水管道的形状进行了优化,最后提出了可显著改善主梁涡激振动性能的抑振措施。研究结果表明:主梁在-3°、0°和+3°攻角下均发生了明显的涡激振动现象,+3°攻角下的振幅最大,且远大于规范的容许振幅;向梁底内侧移动检修车轨道,并在其内侧布置导流板可大幅降低主梁的涡激振动振幅;位于斜腹板的圆形排水管道会削弱主梁的气动性能,改用120cm×20cm的扁状排水管道可有效提高颤振临界风速并降低涡激振动振幅。     

基于风洞试验的变截面圆灯柱涡激振动与影响因素研究

为了研究某实桥变截面圆灯柱发生的风致二阶振动现象，采用多段薄壁空心铝管焊接并覆盖泡沫管和柔性PVC薄膜的方法，设计制作了满足相似比要求的变截面灯柱气弹模型，解决了低质量比、低阻尼比变截面细长结构风洞试验不便模拟的问题。通过风洞试验，采用非接触式视频测量位移系统和眼镜蛇探针测试了不同风速下灯柱位移响应和尾流风速，重现了灯柱的二阶振动现象，通过分析确定其为涡激振动；采用傅里叶变换和小波分析研究了变截面灯柱的涡脱频率和涡激振动时频特性；开展了不同焊缝位置对灯柱涡激振动影响研究，分析了3种不同螺旋线布置方式对灯柱涡激振动的抑制效果。研究结果表明：灯柱在涡激振动锁定区内发生单一模态的涡激振动，运动轨迹为清晰的椭圆形，而在锁定区外发生多模态振动；变截面灯柱中部存在一定长度的控制区域，当中部控制区域涡脱频率接近结构固有频率时即发生涡激振动锁定现象，当中部控制区域脱离锁定频率，此时圆柱的涡激振动响应迅速降低；灯柱涡激振动响应受焊缝的位置影响显著，不同的焊缝位置可能抑制或者增强涡激振动；8 cm螺距双螺旋线能够有效控制灯柱模型涡激振动响应。     

基于CFD数值模拟对大跨桥梁主梁断面颤振研究

随着桥梁设计跨度增大,结构对风荷载作用极为敏感。采用CFD数值模拟方法研究桃花峪黄河大桥主梁断面颤振问题,根据分状态强迫振动法给出了颤振导数识别方法建立了数值计算模型,经计算得出结论:在+5°风攻角下造成竖向振幅为0.03 m所需风速约为13.2 m/s,在+3°风攻角下造成相同竖向振幅所需风速约为14.2 m/s;在+5°风攻角下造成扭转振幅为6°所需风速约为13.1 m/s,在+3°风攻角下造成相同扭转振幅为6°所需风速约为14.0 m/s,风攻角是颤振重要因素;经模拟气动流场得到主梁结构在0°、+3°及-3°攻角下颤振临界状态涡量变化情况可知随着风速增大涡量图为一对细长互不干涉正负涡量逐步增大至正负交替漩涡,在尾流处耦合成2个相互交替大漩涡。     

水中悬浮隧道锚索的非线性涡激振动研究

建立了水中悬浮隧道锚索在波流场中涡激振动的非线性数学模型,考虑了锚索的几何非线性对其涡激振动的影响,并应用有限差分法求解了锚索的运动控制方程。计算结果表明:锚索在顺流向和横向2个方向运动的耦合作用特别是几何非线性作用的引入,抑制了部分高阶模态的激发,使锚索横向涡激振动的振幅减小,顺流向振动的振幅增大;在悬浮隧道的振动引起的强迫激励和参数激励作用下,锚索顺流向涡激振动振幅显著增大,横向涡激振动出现"拍"的现象。     

杭州湾大桥抗风性能试验研究

杭州湾大桥为目前世界最长的跨海公路大桥,包括南航道和北航道两座大跨度桥梁。对杭州湾大桥北航道桥成桥状态、最大双悬臂状态及最长单悬臂状态进行了动力特性分析,介绍了节段模型风洞试验的主要内容、试验结果, 据此分析评估了该桥的抗风性能,并得出了一些有益的结论。     

峡谷底斜拉桥抗风性能改善试验研究

采用节段模型风洞试验的方法对某峡谷底斜拉桥---西藏迫龙沟斜拉桥的抗风性能进行了改善研究。首先,借助于地形风洞试验结果获得了桥位处风攻角和风偏角大小,并确定了大桥颤振检验风速和颤振试验的风攻角范围;然后,考察了大桥原方案的颤振稳定性并通过气动措施改善了原方案的颤振性能;最后检验了施加气动措施前后大桥涡激共振特性。研究结果表明：峡谷底大跨度桥梁的设计基准高度可参照桥面高度确定,但有必要进行地形试验确定桥位处风攻角和风偏角的实际情况;迫龙沟大桥颤振稳定性出现了＆#177;3＆#176;和0＆#176;风攻角下满足要求而5＆#176;风攻角下不满足要求的现象,因此峡谷底大跨度桥梁颤振稳定性检验只进行《规范》建议的风攻角试验可能存在安全隐患;颤振性能改善措施选取时,应考虑斜风的不利影响,确保大桥有足够的颤振稳定性安全储备。     

基于预紧弹簧系统的桥梁挠度冲击系数量测方法

为了提高桥梁挠度及冲击系数测试的稳定性,在传统悬锤法基础上,基于弹簧预紧效应,提出了预紧弹簧法。首先依据车-桥耦合振动理论,以简支梁桥为对象推导了车辆-桥梁-预紧弹簧耦合振动方程,进行了室内试验和系统数值验证;在此基础上分别建立了车辆-桥梁-悬锤系统和车辆-桥梁-预紧弹簧系统的有限元模型,利用数值解法分析了横向风荷载对悬锤法和预紧弹簧法测量主梁挠度及冲击系数的影响;根据建立的车辆-桥梁-预紧弹簧耦合振动系统,研究了影响该方法精度的关键性因素,并给出系统参数选型优化经验公式。最后,以一座30 m预制装配式简支箱梁桥为例,在随机车载激励下,进行支架法、悬锤法和预紧弹簧法3种方法的对比试验。研究结果表明：预紧弹簧法与传统悬锤法相比,冲击系数受风荷载影响较小;无风环境下,预紧弹簧法易受铁丝抗拉刚度、弹簧刚度和悬挂长度的影响,而与初始预紧力值无关;通过合理选用参数,预紧弹簧法能够实现主梁与系统同相位振动;工程实例表明该方法与支架法挠度冲击系数平均误差为6.1%,精度高于悬锤法测量结果,该方法也可为桥梁结构静动载大位移测试提供借鉴。     

空间曲塔大跨斜拉桥抗风性能研究

跨江大桥跨径较大,桥位风速较高,抗风问题至关重要。随着桥梁造型逐渐复杂,规范中一般公式无法适用其抗风计算,因此针对某主跨为238 m的跨江空间曲塔斜拉桥的抗风性能进行了研究。研究内容包括：利用虚拟风洞试验技术获取了主梁的静气动力系数、气动导数以及桥塔分段的模拟风荷载;利用三维颤振稳定性分析方法检验了主梁颤振性能;对主梁的涡激共振进行了数值模拟,得到了不同风攻角下的振幅-风速曲线;分析了结构静风荷载下的位移响应。结果表明,该桥主体结构的抗风性能均满足规范要求。     

悬索桥吊索高阶涡激振动及摆锤式MTMD减振技术研究

为了解大跨度悬索桥吊索出现的大幅高频振动现象,并进行减振,以国内某主跨1688 m的悬索桥为背景(最长吊索长184.6 m),基于理论方法和施工期吊索大幅高频振动实测结果,分析吊索的振动类型及参数(频率、阻尼比);提出一种摆锤式多重调谐质量阻尼器(MTMD,其由一定形状的锤头提供质量参数,由钢绞线提供刚度及阻尼参数),采用有限元和室内试验的方法,分析其振动特性,并进行实桥验证。结果表明:该桥吊索振动频率范围为5~25 Hz,阻尼比低,单个吊点的多根吊索易发生同相位的高阶涡激振动;摆锤式MTMD单个锤头具有2个控制主频,自身阻尼比约10%,具有位移放大作用,对高频振动的响应灵敏,在很宽的频率范围内具有很好的减振性能;摆锤式MTMD可有效增加吊索自身阻尼比,控制吊索高阶涡激振动,实测减振效果达到90%以上,具有很好的实用性。     

大跨度钢管混凝土拱桥整体吊装法施工的抗风研究

南昌生米大桥主桥为两主跨跨径228m的钢管混凝土连拱,该桥主拱肋的施工在国内首次使用大型门式膺架进行整体吊装,为了保证该桥主拱架设期间的安全,对其进行了风洞试验。首先给出了主拱肋的动力特性计算结果,然后对风洞试验的结果进行了分析,重点讨论了主拱肋最大悬臂状态和合龙状态的风偏角影响以及上游已安装拱肋的尾流对下游拱的影响。结果表明,主拱肋在施工期间未出现涡激振动,先架设的上游拱对后架设的下游拱的动力响应有影响。