中央格栅抑制分离式双箱梁涡振的机理研究

为研究分离式双箱梁涡振的原因以及中央格栅对其涡振的抑振影响,以拟建中的伶仃洋航道桥主桥(主跨1 660m的分离式双箱梁悬索桥)为背景,基于计算流体动力学,运用延迟分离涡湍流模型,采用结构化网格体系,对均匀流下有、无格栅2种加劲梁断面周围的流场进行数值模拟研究,并分析了2种断面周围的流场结构以及断面上的气动力特性。结果表明:流体经过上游断面时,会在分离式双箱梁的中央开槽处形成大尺度、交替脱落的旋涡,然后与下游断面发生碰撞,并产生幅值较大的升力,从而导致涡振发生;当设置中央格栅后,分离式双箱梁开槽处的大尺度旋涡被打碎,强度减弱,尺度减小,产生的断面升力幅值也明显减小,从而有效抑制了涡振的发生。     

气动措施抑制钝体箱梁竖向涡振的风洞试验研究

为研究钝体箱梁发生竖向涡振的内在特性及气动措施抑振的规律,采用风洞试验同步测量箱梁模型的振动位移和表面压力。基于模型各测点的压力时程,综合对比分析压力系数均值与均方差值、局部气动力对总体气动力的相关性与贡献程度。结果显示:钝体箱梁断面发生竖向涡振的根本原因是上游分离的气流使得中、下游脉动压力显著增大,中、下游升力对总体升力具有良好的相关性,且对涡激振动贡献最大;封闭栏杆方式可以抑制钝体箱梁断面的竖向涡振;栏杆阻风率变化会同时改变钝体箱梁上、下表面的压力脉动分布强度,但只能改变其上表面的压力系数均值;气动措施抑振的机理是其削弱了箱梁中、下游的脉动压力强度,破坏了局部升力对总体升力的相关性。     

上跨铁路桥梁主梁涡振性能及抑振措施研究

该文基于四川省达州市金南大道西延线二期工程上跨铁路桥梁的主梁节段模型风洞试验,探讨了主梁涡振特性。结果表明:主梁断面存在明显的涡振现象。而后,研究了设置抑流板、移动检修车轨道、改变钢板墙外形和透风率等不同气动措施对主梁涡振性能的影响。根据研究结果,抑流板具有良好的抑振效果;适当改变检修车轨道位置能减少主梁的竖弯涡振,但是没有明显规律;改变钢板墙外形的抑振效果有限,提高钢板墙透风率能有效抑制涡振现象的发生。     

检修车轨道对窄幅流线型箱梁涡振性能影响研究

为给窄幅流线型箱梁抗风设计提供参考,以某窄幅流线型钢箱梁悬索桥为背景,进行节段模型风洞试验,考虑风攻角,分析检修车轨道对箱梁涡振性能的影响;通过数值模拟,研究检修车轨道及其位置对箱梁绕流特性的影响机理及抑振措施的有效性。结果表明：窄幅箱梁在+3°、0°风攻角时的竖向涡振最大振幅较-3°风攻角时分别增大348%、189%;0°风攻角时,检修车轨道布置于箱梁底板内侧1/6底板宽度位置,窄幅箱梁竖向涡振最大无量纲振幅减小60.8%;在此基础上,检修车轨道内侧布置导流板后,箱梁竖向涡振最大无量纲振幅减小79.9%;检修车轨道布置于箱梁底板且布置导流板时,与检修车轨道布置于斜腹板相比,窄幅箱梁竖向涡振最大振幅大幅减小,箱梁周围的流动结构更加稳定,改善了箱梁涡振性能;将检修车轨道向箱梁底板内侧移动或布置导流板是抑制检修车轨道引起窄幅箱梁涡振的有效措施。     

宽幅流线型钢箱梁涡振性能气动优化措施研究

为了解宽幅流线型钢箱梁在大攻角下的涡振性能,确定断面的涡振敏感构件,改善其涡振性能,以太洪长江大桥(主跨808m的双塔悬索桥)为背景,制作1∶50加劲梁节段模型,通过风洞试验研究其宽幅流线型钢箱梁在不同攻角下的涡振性能,通过设置检修道栏杆抑流板、检修轨道内移及减小风嘴角度等气动措施对其涡振性能进行优化,并测试各优化措施的抑振效果。结果表明:宽幅流线型钢箱梁涡振性能随来流风攻角增大逐渐变差;桥面检修道栏杆是涡振首要敏感构件,梁底检修轨道对涡振的影响较弱;设置检修道栏杆抑流板、减小风嘴角度对抑制涡振响应均有明显效果,同时结合检修轨道内移能更显著地抑制涡振响应。     

半开口式分离双箱梁涡振机理试验研究

半开口式分离双箱梁流线形断面是大跨桥梁较为常见的一种断面形式;然而,既有研究结果表明:半开口式分离双箱梁容易发生涡激共振;尽管涡激共振不会导致桥梁直接损毁,但是由于其起振风速低,发生频繁,容易造成结构疲劳损伤,并严重影响车辆和行人的舒适性。因此,亟需对该种断面形式的涡激共振的激振机理开展深入研究,以便寻找合理的减振/抑振措施。该文以广东佛山同济大桥主桥为工程背景,开展半开口式分离双箱梁节段模型涡激共振风洞试验,采用扫描阀测压研究了模型表面风压分布规律;通过数值积分方法计算了模型三分力系数时程曲线;进一步对三分力系数进行频谱分析,发现当模型处于+3°攻角时,升力系数具有显著的周期性;当升力系数的卓越频率与结构频率接近时发生共振现象,从而导致开口式分离式双箱梁发生涡激共振。     

半开口分离双箱梁断面涡激共振及气动优化风洞试验研究

潭州大桥主桥为314m独塔双索面斜拉桥,主梁采用半开口分离双箱断面钢箱梁结构,为研究该桥特殊主梁断面的风致振动问题,提出有效的控制措施,通过制作该桥主梁节段1∶40缩尺模型进行一系列风洞试验,研究分析了主梁半开口分离双箱梁断面的涡激共振响应特性、漩涡脱落原因及其气动优化措施等。结果表明:半开口分离双箱梁断面在+3°风攻角下发生大幅竖弯涡振,振幅超过公路桥梁抗风设计规范的限值;来流上游侧人行道墙式防撞护栏是导致涡激振动发生的最主要原因,检修车轨道和检修道栏杆对竖弯涡振起放大作用;设置检修车轨道遮风板可以一定程度降低涡振振幅,但作用有限。使用高透风率的钢结构人行道防撞护栏能够有效降低竖弯涡振振幅,可满足桥梁抗风设计规范的要求。     

钢-混叠合窄梁驰振稳定性及抑振措施研究

为提高钢-混叠合窄梁的抗风性能,以山区大跨窄梁悬索桥——紫坪铺特大桥为背景,采用节段模型风洞试验对其加劲梁气动稳定性及其抑振措施进行研究.风洞试验观察到加劲梁原始断面在负攻角下会发生驰振发散,基于此,采用节段模型动力试验对比了调整检修道位置、调整防撞护栏透风率、设置下稳定板、设置水平导流板等气动措施的驰振抑振效果,并进...     

边箱叠合梁涡振性能及抑振措施研究

为研究边箱叠合梁的涡振抑制措施,优化其涡振性能,以某叠合梁斜拉桥为背景,针对其边箱叠合梁制作主梁节段模型进行风洞试验,研究不同风攻角(0°、±3°、±5)和阻尼比(竖向0.3%、0.6%、0.8%、1.0%,扭转0.5%、1.0%)下主梁的涡振性能,对比有、无人行道栏杆和不同形式封闭人行道栏杆对主梁涡振性能的影响。结果表明:-5°、-3°和0°风攻角下,主梁没有出现涡激振动;+3°和+5°风攻角下,主梁的竖向涡振和扭转涡振最大振幅均远大于规范允许值;主梁的竖向涡振和扭转涡振振幅均随阻尼比的增大而减小,增大阻尼比可以有效抑制主梁的涡振;去掉人行道栏杆后,主梁的竖向涡振消失;对人行道栏杆间隔封闭可以抑制主梁的涡振,相对分散的栏杆封闭方案抑振效果更好,+3°风攻角下较+5°风攻角下抑振效果更优。     

风障对平行梁桥面风环境的改善作用研究

现阶段山区公路混凝土单箱梁、平行箱梁的风障设置研究存在不足。本研究采用计算流体力学(CFD)中的三维大涡模拟(LES)方法,针对不同风障布置形式下的混凝土单箱梁、不等间距平行箱梁的桥面风环境进行了研究,建立了有限体积模型。研究了来风上下游侧风障对单箱梁桥面风环境的影响,发现在单箱梁来风上游侧布置的风障能够显著降低桥面风速,而在来风下游侧布置的风障则无法起到有效的挡风作用。因此,当平行箱梁间距过大时,来风下游侧的箱梁由于缺乏上游侧风障的保护,桥面风环境恶化。针对这一问题,研究了平行箱梁内侧未加装风障时的桥面风环境,计算了车道平均风速和风速折减系数。研究发现,下游侧箱梁桥面平均风速随着平行箱梁间距的增大而增大;当间距增大到一定程度后,下游侧箱梁由于进入了上游侧箱梁尾流的充分发展区,造成下游侧箱梁桥面平均风速增高、风场紊乱。进一步研究了平行箱梁内侧加装风障后的桥面风环境,发现下风侧箱梁桥面平均风速大幅减小,上游侧梁的尾流涡对下游侧箱梁桥面风环境造成的不利影响也受到了有效的抑制。综上所述,单箱梁下风侧安装的风障不能改善桥面风环境、当平行箱梁间距超过2倍梁宽时,应在平行箱梁内侧加装风障。     

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。     

多孔扰流板对封闭流线型箱梁涡振减振效果

以某封闭流线型钢箱梁斜拉桥为工程背景,通过节段模型风洞试验进行了多孔扰流板各参数如宽度、透风率、孔径对其涡振减振效果影响规律的研究。结果表明:多孔板平行于主梁两侧斜腹板,当各参数取值合适时,可有效地减小模型在+3度风攻角下的扭转涡振。     

宽幅双箱叠合梁涡振性能及抑振措施试验研究

叠合梁断面通常为气动外形较钝的半开放截面，为漩涡的产生和发展提供了条件，容易发生涡激振动现象。过大振幅的涡激振动会影响行车舒适性，严重时将引起结构疲劳破坏，危及桥梁结构安全。如何有效解决涡激振动问题成为叠合梁桥抗风设计的关键。为了抑制该类主梁断面的涡激振动，以宜宾盐坪坝长江大桥为背景，通过1：60的节段模型风洞试验，研究了风嘴、中央稳定板、封闭栏杆、裙板、内侧隔流板、箱梁下导流板等常见措施对双箱叠合梁断面涡激振动性能的影响。研究结果表明：封闭斜拉索防护栏杆、内侧隔流板、梁底稳定板等措施均可不同程度地降低主梁的涡振振幅，但仍无法满足桥梁的抗风设计要求；竖直裙板可以使-3°和0°攻角下主梁的涡激振动消失，但对3°攻角的减振效果有限；在叠合梁中应用广泛的传统整体式风嘴无法降低宽幅双箱叠合梁的涡振振幅；采用安装在箱梁侧下方的三角形风嘴可以减弱箱梁边缘的流动分离，优化梁体的气动外形，从而使断面在各个风攻角下的涡振振幅大幅降低。将三角形风嘴与封闭斜拉索防护栏杆的方案组合后，可进一步降低主梁的涡振振幅，满足抗风设计的要求。所提出的叠合梁涡振抑振措施具有较好的工程适用性，可为同类桥梁的抗风设计提供借鉴。     

大跨度斜拉桥最大双悬臂施工阶段的抖振控制措施研究

斜拉桥在最大双悬臂施工状态时,结构的刚度和阻尼都很低,在紊流风的作用下悬臂端会产生较大的抖振响应。本文采用耦合抖振响应分析的有限元CQC方法,以某斜拉桥为例计算了最大双悬臂施工阶段采用临时风缆与临时墩两种控制措施的抑振效果,并详细探讨了不同风缆布置方案与不同临时墩布置位置对抖振控制效果的影响。计算结果表明:临时风缆的抑振效果对风缆与水平方向的夹角并不敏感;风缆交叉布置会使主梁竖向和横向抑振效果都有所减弱;当风缆中的应力达到一定程度后,增大应力并不能有效的提高抑振效果;当风缆应力一定,增大风缆面积能显著提高抖振抑制效果,但也会使主梁根部横桥向弯矩增大,对塔梁临时固结处产生不利影响;临时墩的减振效率大大优于临时风缆;临时墩的布置位置不宜离桥塔太近,且宜在1/2悬臂长度外合理地质条件处布置。     

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。     

分离式三箱梁空气动力学特性风洞试验

分离式三箱梁因其优异的颤振稳定性，且对极端风环境的适应能力强，在超大跨度桥梁的设计和建设中逐渐被广泛应用。然而，因为双间隙的存在，分离式三箱梁极易发生涡激振动。桥梁涡激振动的起源与其所受的气动力及其绕流密不可分。为了揭示分离式三箱梁涡激振动的诱因，同时为工程设计和应用实践提供理论指导，以中国某座正在筹建的大跨度桥梁分离式三箱梁为研究对象，进行了精密化的风洞试验研究。通过试验对比了3种断面的表面压力特性，研究三者表面压力分布特征及频率特征。其频率分析结果表明：曲线腹板型式的箱梁具备“双频”现象，易导致涡振区的增大。其后，为揭示双频现象的诱因，进行了流场可视化烟线试验，试验结果表明：近尾流区没有发现剪切层的相互作用以及交替脱落的旋涡，单侧剪切层的分离和再附诱发了分离式三箱梁的气动不稳定性；线性腹板的断面间隙流场更为紊乱，尤其是下游间隙流场。还采用节段模型风洞试验对成桥状态下分离式三箱梁的压力分布特性及绕流场特征进行了初步研究。研究结果表明：与线性腹板的断面相比，曲线型腹板能够有效降低分离式三箱梁在成桥状态下的升阻力系数；剪切层的分离和再附依然是诱发分离式三箱梁气动不稳定性的主要原因。     

大间距并列双钝体箱梁气动干扰效应试验研究

为研究气动干扰对大间距并列双钝体箱梁的三分力系数和涡振特性的影响,给这类箱梁静风荷载取值和涡振抗风设计提供参考,根据某并列双钝体箱梁桥跨中断面,制作节段缩尺模型,通过测压和测振风洞试验,测试大间距并列双钝体箱梁的三分力系数和涡振特性,并与单幅钝体箱梁的三分力系数和涡振特性进行对比。结果表明:当1≤D/B≤6(D为双箱梁的净间距,B为单箱梁宽),风攻角为-10°~10°时,气动干扰对并列双钝体箱梁三分力系数的影响表现在下游钝体箱梁上,且主要体现为减小效应;当D/B=3,风攻角为-4°~4°时,气动干扰对下游钝体箱梁的涡振有一定的放大效应,表现为振幅的增大和风速锁定区间长度的变长,与正攻角相比,负攻角时的放大效应更显著。     

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。     

土耳其1915恰纳卡莱大桥桥塔基础

1915恰纳卡莱大桥(1915 Canakkale Bridge,见图1)位于土耳其马尔马拉海西端,距离伊斯坦布尔约200 km。大桥全长4608 m,主桥为双塔悬索桥,跨径布置为680 m(亚洲侧)+2023 m+365 m(欧洲侧)。加劲梁采用分离式箱梁,以提高加劲梁的气动稳定性,两幅箱梁间距9 m。桥面总宽达到45 m,每幅箱梁承载3条车道。主缆长4384 m,采用PPWS法施工,主跨主缆直径869 mm,由144根索股组成;边跨主缆直径881 mm,由148根索股组成。     

钢-混凝土组合梁悬索桥吊装施工颤振稳定分析

怀来官厅水库特大桥主桥为主跨720m的悬索桥,加劲梁采用钢-混凝土组合梁,采用现场节段吊装法施工。为指导该桥加劲梁吊装施工,采用ANSYS软件建立全桥及施工阶段的有限元模型,分析加劲梁整体式吊装和分离式吊装2种方案下结构的颤振稳定性及动力特性,并提出了抑振措施。结果表明:加劲梁整体式吊装方案比分离式吊装方案具有更好的动力特性和颤振稳定性,推荐采用整体式吊装方案施工;2种方案下结构的颤振临界风速小于相应的颤振检验风速,存在发生颤振的可能。因此,提出了采取增设竖向交叉索的临时加劲措施。通过抑振效果分析可知,该措施可以增加结构的扭转基频,显著提高施工阶段的结构颤振稳定性。