山区峡谷风环境作用下拱桥风致动力响应研究

文章以大宁河特大桥为工程依托,建立了空间有限元模型,对该桥的颤振稳定特性、涡激振动和抖振响应进行分析与计算,得到该桥的颤振临界风速、涡振锁定风速、涡激共振振幅以及抖振位移。结果表明,拱桥成桥后刚度较大,抗风设计通常满足要求;施工中,通过制定具体的抗风措施,如设置抗风缆,能够保证抗风安全。     

泸州黄舣长江大桥主梁涡激振动特性及制振措施研究

以泸州黄舣长江大桥为工程背景,研究了流线型钢箱梁的涡激振动特性和有效的制振措施。基于1∶20大尺度节段模型风洞试验,测试在不同阻尼体系下主梁涡激振动性能,获得详细的发振风速和锁定区间的涡振振幅,发现检修车轨道对涡振的不利影响,通过设置梁底内侧导流板屏蔽了检修车轨道,抑制了涡激振动,满足规范要求。研究成果为流线型钢箱梁抗风设计的涡激振动制振措施提供参考。     

拱桥吊杆涡激风振疲劳寿命评估

为便于桥梁运营管理单位开展桥梁维护与检修,对易于发生涡激风振的圆形截面刚性吊杆的可承受应力循环次数进行估算,以明确吊杆的合理使用年限。借助经典涡振起振临界风速、涡激力计算模型及钢结构疲劳寿命计算理论,对某钢管混凝土拱桥的所有圆形吊杆的动力特性、内力及对应的涡振风速范围进行计算,并结合桥梁所在地风速分布统计数据,对该桥吊杆的涡振疲劳寿命进行评估。研究结果表明,该桥吊杆的疲劳寿命在当地风速条件下满足使用要求,计算过程可为同类桥梁吊杆涡振疲劳寿命评估提供参考。     

三塔双跨叠合梁斜拉桥抗风性能研究

叠合梁断面为典型钝体截面,容易出现气动不稳定问题。为研究三塔叠合梁斜拉桥的抗风性能,以某三塔双跨叠合梁斜拉桥为例,通过有限元软件建立桥梁成桥状态和最大双悬臂施工状态有限元模型,计算分析其动力特性,再进行节段模型风洞试验研究桥梁在-5°、-3°、0°、+3°和+5°风攻角下的颤振稳定性和涡激振动性能。研究结果表明:该三塔双跨斜拉桥颤振临界风速大于颤振检验风速,具有良好的颤振稳定性;成桥状态出现了较为明显的涡激振动现象,在低风速区涡激振动幅值小于规范允许值;虽然在高风速区涡激振动幅值超过了规范允许值,但是出现概率很低,对桥梁安全和使用性能不会造成明显影响;施工状态涡激振动幅值远低于规范限制,涡振性能良好。     

钢板组合梁斜拉桥主梁抗风设计研究及应对措施

结合樟树赣江二桥主桥400m主跨双塔斜拉桥,从设计师角度梳理了钢板组合梁斜拉桥主梁抗风设计的主要内容和工作流程,对该类型桥梁的抗风性能和抗风措施进行了说明,并利用规范方法对颤振和涡激共振相关参数进行计算。通过风洞试验,研究了原设计断面及设有气动措施断面的颤振和涡振性能,分析了裙板、水平导流板、风嘴、扰流板和下稳定板等单种或两种组合设置时的涡激共振减振效果,给出了扰流板和下稳定板联合使用的推荐方案。考虑到原设计断面在紊流场下抗风性能可满足规范要求,以及涡激共振发生风速比桥位处常遇风速高很多的特点,从合理性角度出发,设计中采取了预留抗风措施的对策。     

武汉四环线汉江大桥抗风性能研究

为研究武汉四环线汉江大桥抗风性能,计算了施工状态和成桥状态结构的动力特性,通过试验测量主梁的三分力系数值,评价了汉江大桥的颤振和涡振性能,最后进行静风稳定性分析。试验及计算分析结果表明,汉江大桥颤振临界风速高于检验风速,涡激振动最大振幅小于规范容许值,静风失稳临界风速较高,整体抗风性能良好。     

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。     

边主梁断面斜拉桥涡激共振阻尼敏感性试验研究

边主梁断面(或Π形梁)是大跨度斜拉桥中常用的一种主梁断面形式,但容易产生涡激共振现象。涡激共振的典型特点之一是具有阻尼敏感性。文中针对在建的贵州望漠北盘江大桥的风致涡激振动进行了阻尼敏感性风洞试验研究。试验结果表明,该类桥梁涡激共振幅值对阻尼的设置十分敏感。因此,对于低风速下容易出现的涡激共振来说,采用多大的阻尼进行抗风设计十分关键。     

大跨桥梁主梁涡激振动影响因素研究进展

现代大跨桥梁跨度更大、结构更轻柔、自振频率较低且密集,在较低风速下主梁易发生涡激振动现象。涡激振动是一种带有自激、自限特性的非线性振动,影响涡激振动响应因素较多如雷诺数效应、紊流特性及主梁断面形式等。本文介绍了近期大跨度桥梁主梁涡激振动影响因素研究进展,为抗风设计及抑振措施提供参考。     

大跨度桥梁主梁涡激振动影响因素研究进展

现代大跨桥梁跨度更大、结构更轻柔、自振频率较低且密集,在较低风速下主梁易发生涡激振动现象。涡激振动是一种带有自激、自限特性的非线性振动,影响涡激振动响应的因素较多如雷诺数效应、紊流特性及主梁断面形式等。介绍了近期大跨度桥梁主梁涡激振动影响因素的研究进展,为抗风设计及抑振措施提供参考。     

整流罩组合措施外形对Π形叠合梁斜拉桥涡振性能的影响

某大跨度Π形钢-混叠合梁斜拉桥存在常遇风速下的涡激振动。为了抑制涡激振动,通过1∶50节段模型风洞试验,针对-5°最不利风攻角工况,开展了涡振性能优化研究。试验对导流板、裙板、下稳定板、风障与整流罩等单一气动措施的制振效果进行了研究,试验结果表明,只有下中央稳定板能在0.65%的阻尼比条件下,将主梁的竖弯与扭转涡振振幅同时降低50%以上。据此开展了以下中央稳定板为中心的组合气动措施研究,发现整流罩与下中央稳定板的组合气动措施能将主梁的竖弯与扭转涡振振幅同时降低75%以上。在此基础上,研究了整流罩竖直板高度与下中央稳定板高度对该组合气动措施制振能力的影响,发现在一定高度范围内,增加整流罩竖直板与下中央稳定板高度均能有效提高组合措施的制振能力,通过优化了该组合气动措施的气动外形,组合措施能够完全消除Π形叠合梁在不同风攻角(0.65%阻尼比)下的涡激振动。最后,采用计算流体动力学的方法,对该气动措施的制振机理进行了研究,计算结果表明：优化后的整流罩组合措施能够同时降低主梁上下表面旋涡脱落尺寸,显著减小主梁受到的周期性非定常气动力,从而达到抑制主梁涡振的效果;若同时降低整流罩竖直板高度与下中央...     

不同雷诺数下车辆队列尾车发动机舱盖气动特性研究

数值仿真与模型风洞试验相结合研究了典型工况下两车队列中尾车发动机舱盖气动特性和两车间隔区域的流场,对比了缩比模型和实车模型对应雷诺数下车辆队列的流动形态。缩比模型仿真结果与风洞试验结果一致表明采用数值方法的可行。对比不同雷诺数下车辆队列气动特性发现,缩比模型与实车模型发动机舱盖表面平均静压分布基本相同,但在纵向对称面上,实车模型的前车尾迹比缩比模型更加上扬,底部区域气流速度更高。非定常条件下,实车模型前车尾涡相对尺度明显小于缩比模型,且扩散得更充分,尾迹区涡的分布状态更加混沌,发动机舱盖表面脉动能量的分布更加混乱。涡在两车间隔区域的运动并非简单的移动,而是一个由涡破裂、涡配对和涡融合构成的复杂过程。     

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。     

扁平箱形桥梁断面静气动力系数雷诺数效应研究

在较大的雷诺数范围内测量了不同宽高比箱形桥梁断面的三分力系数,研究了三分力系数雷诺数效应以及宽高比对断面三分力系数雷诺数效应的影响。流线型桥梁断面的阻力系数、升力系数都有明显的雷诺数效应。宽高比对断面的三分力系数雷诺数效应有明显的影响。低雷诺数风洞试验得到的三分力系数用于实桥分析时偏于保守。     

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。     

栏杆基石对闭口箱梁桥梁涡振性能影响的机理

为研究检修道栏杆基石对桥梁涡激振动性能的影响，依托中国某主跨808 m的超大跨度闭口箱梁加劲梁悬索桥，通过主梁大比例节段模型弹性悬挂测振测压风洞试验获取模型风致振动响应和表面各测点压力时程数据，测试原设计断面在±5°攻角范围内的涡振性能，对比分析3种不同栏杆基石位置和高度工况下主梁涡振响应性能和桥面测点脉动压力系数均值、均方差、压力功率谱以及局部气动力和总体气动力的相关性。研究结果表明：依托工程主梁设计断面发生了显著的竖向和扭转涡激共振，且扭转涡振显著超出规范允许值，主梁涡振性能随来流风攻角的增大而变差。主梁表面实测脉动压力数据分析显示，由于栏杆和基石的阻挡，箱梁上表面气流分离后在后部再附，导致上表面前部和中后部发生了强烈的压力脉动。上表面前部、后部以及下表面迎风区斜腹板局部气动力与总体气动力具有很强的相关性，这也是导致主梁发生显著扭转涡振的根本原因。将栏杆基石移至桥面板边沿显著减小了上、下表面压力脉动，上表面前部和后部气动力相关性被破坏，可以大幅抑制涡振；将栏杆基石移至桥面板边沿，并降低栏杆基石高度抑制了气流在上表面后部的再附现象，断面压力脉动被削弱，局部气动力和总体气动力相关性被完全破坏，从而有效抑制涡振。     

大跨度自锚式悬索桥钢-STC组合桥面箱形加劲梁抗风性能试验研究

以株洲枫溪大桥为工程背景,采用有限元计算和节段模型试验相结合的方法,研究大跨度自锚式悬索桥STC组合桥面钢箱加劲梁的抗风性能。研究结果表明:钢-STC组合桥面箱形加劲梁结构在-3°、0°及+3°的3种风攻角下,颤振临界风速均远高于桥位处检验风速,设计方案满足颤振稳定性要求,且有较大富余度。成桥状态下的原型断面在+3°攻角下出现了11.1~16.7 m/s与22.7~33.4 m/s两个竖弯涡振区,其中在第二个竖弯涡振区,其峰值振幅0.188 m超过规范允许值。通过对截面进行局部优化后,涡振均在规范允许值以内。节段模型测力风洞试验基于风攻角为-12°至12°范围内变化,研究了加劲梁断面的静力三分力系数的变化规律。大跨度自锚式悬索桥的钢-STC组合桥面宽幅箱形加劲梁的抗风性能试验研究为类似桥梁的设计提供依据和参考。     

大跨度悬索桥的多阶模态竖向涡振与控制

大跨度悬索桥具有多个竖向模态密集分布的特性。在常遇风速范围内，从低到高的各阶竖向模态随风速升高而逐个发生涡振，这就是大跨度悬索桥的多阶模态涡振问题。针对这一问题开展深入研究，讨论中国公路桥梁抗风设计规范中竖向涡振容许振幅的合理性；阐述了利用节段模型风洞试验和理论分析综合预测实桥多阶模态竖向涡振响应的基本方法，得到了各模态阻尼比相等时悬索桥各阶模态竖向涡振振幅基本相等的结论，并通过特殊设计的悬索桥竖向等效气弹模型和塔科马桥涡振实测资料，验证了这一结论；指出在既有桥梁上追加气动措施或安装调谐质量减振器抑制悬索桥多阶模态涡振都有很大的难度，进而提出了在加劲梁与桥塔之间安装直接耗能阻尼器的设想，并进行了气弹模型试验验证；讨论了采用电涡流阻尼器进行半主动涡振控制的可行性。研究结果表明：在相同阻尼比条件下大跨度悬索桥各阶竖弯模态的最大涡振振幅基本相等；依据最大加速度幅值按频率比的平方增加的原理，满足人体振动舒适性的高阶竖弯模态的容许振幅必然小于低阶模态，因此要更加重视起振风速在容许行车风速（25 m·s^-1）以内的高阶竖弯模态涡振；对于漂浮体系悬索桥，在加劲梁与对应桥塔之间设置阻尼器可有效抑制多阶模态涡振。     

扁平箱梁颤振计算公式中联合折减系数的量化研究

扁平箱梁已广泛应用于大跨度桥梁的主梁设计中，其颤振性能通常会借助物理和数值风洞的方法获得，测试周期长、费用高。尽管采用颤振计算公式可以简便计算扁平箱梁的颤振临界风速，但当前公式中未考虑扁平箱梁气动外形和来流攻角的具体影响，计算误差较大，无法用于实际工程设计。为了提升颤振计算公式中联合折减系数的准确度，利用节段模型风洞试验开展气动外形和风攻角对扁平箱梁颤振性能影响的研究。在分析各种气动构件和外形参数对扁平箱梁颤振性能的影响后，确定以斜腹板倾角和宽高比为气动外形变量，设计制作3组12个节段模型，分别在5个风攻角下测试了有栏杆扁平箱梁的颤振性能。在此基础上，根据节段模型风洞试验获得的颤振临界风速，结合弯扭耦合颤振闭合解计算公式，量化了气动外形和风攻角变化对扁平箱梁颤振的影响，给出不同条件下扁平箱梁颤振计算公式中的联合折减系数。最后，基于实际桥梁的颤振临界风速算例，验证利用联合折减系数计算颤振临界风速的准确性和适用性。研究结果表明：在0°风攻角和正风攻角下，当扁平箱梁的宽高比分别为11，9时，斜腹板倾角的减小有利于颤振临界风速提高，宽高比为7时，斜腹板倾角对颤振临界风速没有影响；在负风攻角下，3组宽高比模型斜腹板倾角的减小均会引起扁平箱梁颤振临界风速的降低；联合折减系数与扁平箱梁截面的颤振性能正相关，可直接反映其颤振性能，相对于目前《公路桥梁抗风设计规范》中扁平箱梁颤振临界风速计算时的固定折减系数，该系数能够具体和准确反映气动外形和风攻角对扁平箱梁颤振的影响，可以结合颤振计算公式快速、准确地计算出大跨度桥梁颤振临界风速。