超长斜索三维气弹模型设计方法及其适应性研究

由于超长斜索三维气弹模型设计存在长度与直径几何缩尺比选择的困难,研究一种索结构三维气弹模型设计方法及其适应性.以某在建大跨径斜拉悬索协作体系桥梁边跨无吊索主缆为例,研究几何缩尺比对垂跨比、动力特性及涡振响应的影响规律.确定模型的合理几何缩尺比,设计并制作超长斜索三维气弹模型.研究结果表明:短模型的垂跨比随几何缩尺比的增大而增大,在几何缩尺比1:20时与原型结构接近;短模型的频率计算结果均高于长模型;几何缩尺比越大,涡振振幅越大.且模型越长,涡振振幅越小.按几何缩尺比1:20设计的短模型频率与模拟结果一致,且阻尼比较小,与原型结构接近.     

悬索桥并列双吊索整体风振特性与气动阻尼研究

通过并列耦合双吊索节段模型的整体测振与测力风洞试验,研究不同间距下双吊索的整体振动行为与气动阻尼特性。引入驰振气动阻尼非线性项的动力方程模型,得到非线性振动的近似解析方法。基于弹性悬挂节段模型动力响应识别出驰振非线性气动参数,并与经典单自由度驰振理论结果进行对比分析。研究结果表明:并列耦合双吊索在一定工况下会发生剧烈的整体尾流致振现象,结构阻尼比对其起振风速影响明显;经典驰振理论求得的气动负阻尼绝对值要小于识别得到的气动负阻尼绝对值,横、顺风向两自由度耦合失稳较单自由度驰振更易发生。     

节段模型气动导纳的数值模拟与试验

为了对桥梁风工程中广泛使用的气动导纳进行精细化研究,针对桥梁风工程中由于沿用了经典的薄机翼气动力理论,认为气动导纳仅是量纲一折算频率的函数而与风场特性无关这个问题,首先简要回顾了二维薄机翼非定常气动力理论的基本假定,指出对于钝体桥梁断面,这些基本前提条件不再成立,因此也不存在独立于风场特性的气动导纳函数。在这一理论观点的指导下,利用节段模型风洞测压试验,在3种非均匀布置的格栅湍流场中测量了平板断面和高宽比为1∶4矩形断面的脉动升力,并识别出各自的气动导纳函数。通过比较不同风场下识别的气动导纳函数,研究了不同形式断面与风场的依赖性。然后利用CFD数值模拟,通过改变入口边界条件,在3类湍流场中对结果进行了进一步的验证。试验及数值结果表明:平板断面的气动导纳在3类风场中基本一致,表现出了流线型断面对来流特性的不敏感性,可以认为是量纲一折算频率的单一函数;相比之下,具有钝体特性的矩形断面在3类不同风场中识别的气动导纳区别十分显著,表明钝体断面的气动导纳并不能定性为断面的函数,而是由断面与来流风场特性共同确定。在桥梁风工程中,需谨慎应用源于机翼理论的气动导纳概念,试验识别气动导纳时宜考虑与实际情况相符的风场特性。     

流线型钢箱梁涡激振动机理与气动控制措施

以某主跨390 m的独塔流线型钢箱梁斜拉桥为工程依托，采用风洞试验与计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）相结合的方法对流线型钢箱梁涡激振动机理与气动控制措施进行研究。首先，采用几何缩尺比为1∶30的主梁节段模型进行主梁涡振性能与气动控制措施优化研究；其次，采用CFD方法对主梁涡振响应进行流固耦合计算，将Newmark-β算法嵌入ANSYS Fluent用户自定义函数（User Defined Functions，UDFs）实现主梁结构振动响应求解，同时结合动网格技术实现主梁断面流固耦合分析；并根据判断条件来检索箱梁壁面上的网格单元，以获得主梁断面振动过程中的表面压力，然后结合主梁结构振动响应、表面压力以及流场特征等对主梁涡激振动机理进行分析。结果表明：该桥主梁原设计方案存在涡激共振现象，将梁底检修车轨道内移120 cm可有效抑制主梁涡振响应；主梁涡激振动响应的数值模拟结果与风洞试验结果吻合较好；检修车轨道内移120 cm后主要改变了箱梁下表面平均压力系数分布特性，且箱梁表面各测点脉动压力卓越频率不一致，有效减小了主梁涡激振动响应；流线型箱梁靠近迎风侧的“被动区域”对结构涡振响应贡献较小，背风侧“驱动区域”发生周期性旋涡脱落是影响流线型箱梁涡振的主要因素。     

大跨连续刚构桥下击暴流作用效应试验研究

为研究大跨连续刚构桥在下击暴流水平风速作用下的风振响应，开发了一套在大气边界层风洞中模拟下击暴流水平风速的试验装置。下击暴流水平风速剖面通过调节置于风洞中的斜板竖向位置与倾角来模拟，下击暴流时间特性通过控制两侧水平开合板运动的速度、角度来模拟。以广东虎门大桥辅航道桥为工程背景，设计并制作几何缩尺比为1：200连续刚构桥最大双悬臂状态气弹模型，进行了下击暴流瞬态风场、下击暴流稳态风场和大气边界层B类风场下连续刚构桥最大双悬臂状态气弹模型风洞试验，对不同风场下桥梁结构风致振动位移响应进行了对比分析。结果表明：采用下击暴流模拟装置在大气边界层风洞中所模拟的下击暴流水平风剖面与下击暴流经验风剖面吻合较好；采用下击暴流模拟装置实现了下击暴流风速时间特性的模拟，所模拟的下击暴流瞬态风场湍流度与目标值总体接近。在下击暴流瞬态风场下桥梁梁端横桥向位移响应时变均方根最大值约为在B类风场下梁端横桥向位移响应均方根值的2.7~6.8倍；在下击暴流稳态风场下桥梁梁端横桥向位移响应时变均方根最大值约为在B类风场下梁端横桥向位移响应均方根值的70%~230%。在下击暴流瞬态风场下桥梁梁端竖向位移响应时变均方根最大值约为在B类风场下梁端竖向位移响应均方根值的2.3~5.3倍；在下击暴流稳态风场下桥梁梁端竖向位移响应时变均方根最大值约为在B类风场下梁端竖向位移响应均方根值的90%~260%。     

南京长江大桥结构健康监测及其关键技术研究

在分析国内外桥梁结构健康监测研究现状的基础上，以南京长江大桥为工程背景，对既有铁路桥梁结构健康监测的系统建设、实时信号分析处理、参数识别、模型修正和结构疲劳损伤分析等关键问题进行研究。具体研究内容和取得的成果如下。     

串联简支梁纵向力连接器的设计研究

介绍串联简支梁及纵向力连接器的构造、参数设计及其模型试验的结果。     

大跨桥梁实测湍流风场的大涡模拟

为实现在大涡模拟(LES)中准确评估强风湍流对大跨桥梁的作用,关键难点在于生成符合桥梁真实强风特性的入口湍流。为此应用了一种新的规则化波矢量随机流生成方法PRFG³(Prescribed-wavevector Random Flow Generator),该方法遵守连续性方程和泰勒假设,可准确模拟目标湍流的脉动风谱、湍流度和湍流积分尺度等风特性参数。首先利用西堠门大桥结构健康监测系统(SHMS)2016年内采集的风速数据,选取了该桥址区10 min时距平均风速较大但风特性不同的2个强风样本,分析得到相应的强风特性参数;然后采用PRFG³方法合成了符合上述2个实测强风特性的均质各向异性湍流,同时为验证该方法用于主梁节段模型LES入口湍流的适用性,还模拟了缩尺比为1∶50的强风湍流场,并基于OPENFOAM平台,将3类风场赋予LES入口进行了数值计算;最后将LES流场中多个监测点的湍流特性与实测结果进行了对比。研究结果表明：2个实测风场在顺风向、横风向、竖风向的脉动风谱均与Von Kármán谱接近,顺风向湍流积分尺度最大约为192 m,各脉动风分量近似符合正态分布;PRFG³方法产生的入口湍流在LES计算域内能正确传输,模拟的3类风场均有较好的均匀性,脉动风分量在各方向上的功率谱、湍流度和所有的9个湍流积分尺度均与相应的实测值吻合较好。相关湍流合成方法及LES设置可为大跨桥梁在实测强风湍流下的数值模拟研究提供参考。