大攻角来流作用下扁平钢箱梁涡振性能风洞试验优化研究

大攻角来流情况下,流线型箱梁的气动特性会发生显著变化,为研究大攻角来流作用下扁平钢箱梁涡激振动性能,以某流线型扁平钢箱梁断面为研究背景,基于1∶40节段模型风洞试验,研究了检修车轨道位置和检修车轨道导流板设置、桥面防撞护栏类型、人行道防撞护栏类型以及阻尼比和攻角等对加劲梁涡激振动性能的影响。研究结果表明,在大攻角来流作用下,改变人行道护栏类型对竖向和扭转涡激振动响应具有明显的影响;桥面防撞护栏对加劲梁涡振响应影响较小;背风侧检修车轨道是引起加劲梁涡激振动的主要影响因素;检修车轨道内侧导流板能够有效的抑制竖向涡振,外侧导流板能减小扭转涡振的风速区间。     

半开口分离双箱梁涡振性能及其气动控制措施研究

基于某主跨820m混合梁斜拉桥,利用刚体节段模型风洞试验结合计算流体动力学(CFD)数值模拟,系统研究了半开口分离双箱梁的涡振性能并进行一系列气动控制措施的探讨。该断面成桥状态在+3°或+5°风攻角下会产生大幅竖弯涡振,来流上游侧检修道栏杆处的气流分离起主导作用,检修车轨道对竖弯涡振有放大作用,这主要源于其后方连续产生的小尺度漩涡在断面下部开口内汇聚,形成了能量集中的大尺度漩涡。采用不同形式的检修道栏杆或改变风嘴角度对竖弯涡振控制效果不理想,将风嘴向外延伸可以有效降低振幅,但要保证检修道栏杆不移动,工程实用性较差。下中央稳定板基本没有抑制效果|水平翼板和抑流板都能有效控制竖弯涡振,其中水平翼板可以延缓漩涡能量的集中降低涡振振幅,但不能完全抑制振动,而且大攻角下会延长涡振风速区间|抑流板则直接通过抑制断面上表面漩涡的形成而有效控制涡振发生。     

半封闭箱梁非线性涡激力倍频成分分析

以同步测振测力大比例涡振模型试验为基础,通过内置在箱梁内部的4个单分量天平,获得了作用在半封闭箱梁断面上的力和运动位移时程,通过差分得到了运动速度时程和加速度时程,进一步识别出精确的涡激力时程信号,并对涡激力时程信号进行频域上的分析,发现2次与3次倍频非线性成分明显。     

分体式双箱梁涡振气动控制措施数值模拟

分体式钢箱梁可较大幅度提高颤振临界风速,但较容易引起桥梁涡振,以国内某大跨悬索桥涡激共振为背景,对分体式双箱梁分别增设风障、导流板和纵向格栅后的涡振响应进行纯数值模拟,对比分析了导流板和纵向格栅在一阶正对称竖弯、一阶反对称扭转和七阶竖弯模态,风攻角范围为+3°～-3°情况下的涡振控制效果,基于上述气动措施的流场特性,对其涡振减振机理进行了研究。研究结果表明,风障可以有效降低竖弯涡振振幅,但对扭转涡振振幅具有放大作用;导流板的涡振控制效果与风攻角和风速有关;纵向格栅对正、负风攻角下的竖弯和扭转涡振均有很好的控制效果。     

钝角风嘴箱梁涡振性能及其气动控制措施研究

某大跨度钢箱梁市政悬索桥主梁风嘴短而钝,箱梁底部有检修车轨道,主梁竖向及扭转涡振明显。文章基于1∶50节段模型风洞试验,结合计算流体动力学(CFD)数值模拟,以均匀来流为风洞试验条件,研究了栏杆、导流板和风嘴等对主梁涡振性能的影响,并提出了最优方案。研究表明,风攻角的变化会使涡振锁定风速和振幅均产生变化;栏杆隔三封一能有效地抑制主梁涡振,但可能会影响市政桥梁的美观;加设小风嘴有利于减小甚至消除涡振,且其施工简单,便于工程应用。     

大跨度分体箱梁桥梁涡振性能及其控制

因其相比传统闭口箱梁更为优越的颤振稳定性能,分体箱梁在大跨度桥梁建设中逐渐开始得到应用。以国内已建成的3座采用分体箱梁的大跨度桥梁为背景,通过大尺度节段模型风洞试验对分体箱梁的涡激共振性能进行研究,发现各断面均发生振幅较大的涡激共振。基于粒子图像测速技术的分析表明,在中央开槽处的大尺旋涡很可能是引起大幅度涡振的主要原因。为了解决分体箱梁桥梁的涡激共振问题,尝试和提出包括导流板、隔涡板和可调风障在内的多种气动控制措施,并比选出最佳控制方法。     

大攻角及桥面粗糙度对扁平钢箱梁涡振性能的影响

为探究大攻角及桥面粗糙度对扁平钢箱梁涡振性能的影响,对寸滩长江大桥主梁进行了风洞试验。应用Matlab软件模拟桥面粗糙度变化范围,根据模拟结果选取对应的砂纸在试验中模拟桥面粗糙度,分析了攻角及桥面粗糙度对扁平钢箱梁涡振区间及幅值的影响。试验研究表明:在大攻角下扁平钢箱梁的涡振振幅和范围明显增大,对桥址位于山区等容易发生大风攻角的地区的桥梁应进行大攻角试验。扁平钢箱梁的涡振响应随着桥面粗糙度增大而减小。正攻角范围内,桥面粗糙度对涡振响应的影响随着攻角减小而增大。桥面粗糙度发生变化时,扭转涡振响应更加敏感,变化幅度大于竖向涡振响应变化幅度。     

海洋独立支撑钢管桩的涡振研究

对在水流、波浪力作用下海洋独立支撑结构所产生的涡振进行非线性研究.该研究的目的是通过改变独立支撑结构自振频率来控制结构产生的涡振,以避免结构产生涡振破坏.提出涡振概念;分析独立支撑结构1产生涡振条件、作用荷载、涡振频率以及振动方程的解.结果表明通过改变独立支撑结构EI值或采取一些特殊措施,增加结构的自振频率,来避免其在施工过程中产生的涡振破坏,对实际工程具有重大理论价值.     

冲击荷载作用下钢管桩的涡振研究

研究了海洋钢管桩搭设支撑前,在打设力、水流、波浪共同作用下引起的涡振机理。目的是解决海洋钢管桩在浪流、打设力等冲击荷载作用下的破坏问题。提出涡振概念并分析产生涡振破坏的情况;建立钢管桩在冲击荷载作用下涡振合成方程,并对涡振合成方程进行求解。结果表明．通过用非线性方法分析钢管桩的涡振机理、研究钢管桩的振动合成方程及其解,可以有效地减轻结构在动力荷载作用下的反应与损伤、并有效地提高结构的抗振能力和抗灾性能．是抗振减灾积极有效的对策,对工程实际具有重大理论价值。     

上海长江大桥车桥系统节段模型涡激共振试验研究

涡激共振通常都在低风速发生,且涡激共振对断面形式的微小变化很敏感,因此有必要研究车辆对车桥系统涡激共振性能的影响。以上海长江大桥为背景,在同济大学土木工程防灾国家重点实验室TJ-1边界层风洞中进行了1∶60缩尺模型试验,开展了桥面无车状态、桥面有车状态下的两种断面形式以及0°、 3°和-3°三种风攻角共6个试验工况节段模型涡激共振试验研究,并将模型试验结果经过振型修正换算到实桥。试验结果表明:桥面有车状态下的竖弯涡振和扭转涡振中分别伴有相同频率的扭转振动和竖弯振动;桥面有车状态的竖弯涡振和扭转涡振幅值明显比桥面无车状态大;桥面有车状态下的涡振锁定风速区间比桥面无车状态下提前。可见车辆明显改变了主梁的气动外形,且无论从振幅还是振动形态方面考虑,车辆对车桥系统的涡激共振影响是不可忽视的。     

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。     

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.     

中央开槽钢箱梁悬索桥涡激共振及风振危险性的思考

介绍中央开槽钢箱梁悬索桥受低风速风作用发生的涡激共振实况。根据史料评述悬索桥风振危险性。     

跨海公铁两用桥梁车-桥-风浪流耦合振动研究

基于大系统的思想,建立车-桥-风浪流耦合动力系统,包括车辆子系统、桥梁子系统和风浪流耦合场子系统。根据各子系统之间的相互作用力以及车辆子系统与桥梁子系统之间的位移协调关系,建立车-桥-风浪流耦合动力系统的运动方程,并基于分离迭代法提出了车-桥-风浪流耦合动力系统动态响应的求解流程,从而建立跨海公铁两用桥梁车-桥-风浪流耦合动力系统的振动分析方法。以某跨海公铁两用斜拉桥方案为对象进行研究,结果表明：风浪流耦合场同时激励车辆和桥梁的主梁、桥塔及水中基础,与风场单独作用相比,风浪流耦合场能够激发桥梁产生更大幅度的横向和扭转振动,恶化列车运行安全性指标,桥梁主梁在主跨跨中处的横向位移、横向加速度、扭转位移、扭转加速度的均方根分别增大0.8%、23.1%、4.9%和0.5%,在边塔处的相应均方根分别增大204.9%、167.0%、198.7%和314.7%;列车车体加速度、轮轨横向力和轮重减载率分别增大60.9%、7.2%和6.6%。因此,对于跨海公铁两用桥梁,需合理考虑风浪流耦合作用,仅考虑风场单独作用将高估桥梁结构和列车行车的安全性。     

福州市琅岐闽江大桥钢梁设计

流线型扁平钢箱梁作为斜拉桥的加劲梁具有良好的力学和气动性能。以福州市琅岐闽江大桥为例,简要介绍扁平斜拉桥钢箱梁结构构造设计、立面线型的实现、抗风震措施和施工过程中的临时约束设计,以丰富扁平钢箱加劲梁在桥梁设计领域中的应用经验。     

基于非线性涡激力广义模型的涡振幅值换算

节段模型测振风洞试验是研究涡激共振风速锁定区间和振动幅值的主要手段之一,但节段模型涡振振幅并不能由几何缩尺比直接换算至实桥,需要对测试结果进行修正。已有研究表明,涡激力具有强烈的非线性特性,因此基于线性涡激力模型的换算方法不再适用。此外,由于采用的非线性涡激力模型不准确,基于非线性涡激力模型的已有换算方法也不一定适用,并且目前基于非线性涡激力模型的换算方法也没有给出阻尼比的修正方法。为此,文章借鉴量纲分析方法,推导非线性涡激力广义模型,并给出计算涡振振幅的非线性涡激力简化广义模型,然后根据能量相等的原则推导节段模型与实桥的涡振幅值换算公式。研究表明：当节段模型与实桥结构阻尼比一致时,振幅换算关系仅与桥梁阵型函数值有关;当节段模型与实桥结构阻尼比不一致时,振幅换算关系还与涡振生长或衰变过程位移振幅变化率以及涡振稳定状态无量纲幅值有关;不同换算方法的结果对比表明本文换算结果与实测值最为接近。     

Improvement of aerodynamic stability of suspension bridges with H-shaped simplified stiffening girder

Wind-tunnel study on the improvement of aerodynamic stability of simplified suspension-bridge girder structures was conducted with using a 1/40-scaled section model. Objective of the study is the development of an economically superior suspension bridge with 500–1,000 m center span length. The wind-tunnel test showed that an edge-girder type cross section exhibited large amplitude torsional vortex-induced vibration as well as torsional flutter at a low wind speed. Accordingly, aerodynamic countermeasures of open grating deck and triangular faring, and structural countermeasures of center stay, diagonal bracing and mass increase were tried to improve the aerodynamic stability. Finally, feasibility of the best combination to a full-scale bridge was examined by structural analysis.     

大跨度连续钢梁桥主梁设计方案的比选

采用有限元方法,对比分析某大跨度连续钢梁桥主梁分别采用连续钢箱梁和连续组合钢箱梁两种方案时结构受力性能差异。分析结果表明:连续组合钢箱梁方案能够在保证主梁截面竖向抗弯刚度不降低前提下,显著降低中间支点附近梁高,从而节省用钢量并减小主梁承受的横向风荷载,提高钢底板和腹板的稳定性能;且通过合理设计能够使主梁的刚度和受力均趋于合理,但同时负弯矩区采用组合截面后,主梁自重增加、截面中性轴降低、施工速度减慢。