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。     

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。     

大跨度悬索桥吊索阻尼减振设计

为了解决虎门二桥大跨度悬索桥长吊索的振动问题,采用阻尼减振的方式对其进行振动控制。本文首先通过分析吊索的振动特性,包括振动方向、可能发生振动的振型阶次,确定阻尼减振的目标;在此基础上,对大沙水道桥和坭洲水道桥超过80m长的吊索进行阻尼减振设计:利用防撞栏杆为阻尼器的支撑,80~130m的吊索采用油气耦合阻尼器、130m以上的吊索采用摆式阻尼器进行控制。当吊索发生面内或者面外振动时,阻尼器内部发生相对运动,通过阻尼耗能作用控制吊索的振动;最后通过数值计算分析安装阻尼器后的减振效果。结果表明:各受控振型的阻尼对数衰减率δ均大于3%,满足减振的要求。     

虎门二桥主桥吊索阻尼减振技术研究及应用

虎门二桥的主航道桥由坭洲水道桥和大沙水道桥两座大跨度悬索桥组成,其吊索在施工期发生了复杂的风致振动问题。为了抑制吊索的振动,通过分析吊索的振动特性,研究基于不同作用机理的减振措施并进行方案比选,优选出适合本桥吊索减振的措施。通过实桥试验验证了外置式阻尼器(PLD)、多重调谐式阻尼器(MTMD)和冲击质量阻尼器(IMD)的减振效果。最终采用了PLD、MTMD和IMD这3种阻尼器的组合阻尼减振方案,有效抑制了吊索的振动。     

山区大跨窄悬索桥抖振响应时域有限元分析

为了掌握山区窄悬索桥的抗风性能,以某山区大跨度加劲梁窄悬索桥为研究对象,采用谐波合成与FFT转换技术相结合的方法,构建模拟了山区窄悬索桥三维脉动风场,并基于ANSYS大型有限元分析软件的APDL语言,建立山区大跨度窄悬索桥风振响应有限元模型,分析大跨度窄悬索桥结构抖振响应特性。结果表明:窄悬索桥的抖振位移响应时程表现为明显的限幅振动,可能会引发局部构件疲劳破坏。该加劲梁窄悬索桥的横向抖振位移上限值为16.4 cm,竖向位移振动上限值为8.8 cm,其横向抗弯刚度更小,出现横向弯曲振型频率会更低,需要采取一定的抗风措施加强横向刚度。     

大跨度悬索桥长吊索宽频调谐阻尼减振技术研究

为实现大跨度悬索桥长吊索宽频(0～30 Hz)阻尼减振,以广西龙门大桥为背景,对该桥50 m以上长吊索宽频减振技术进行研究。考虑该桥长吊索原刚性减振架方案无法有效控制多根吊索同相位振动,且不能为吊索提供结构阻尼,根据理论分析和参数优化,提出采用3个小阻尼比(阻尼比为2%)、小质量比(质量比为0.10%)调谐质量阻尼器(TMD)和6个大阻尼比(阻尼比为10%)、大质量比(质量比为0.50%)TMD协同作用实现吊索0～30 Hz全模态阻尼减振目标,选用质量和刚度分布具有各向同性、控制频率和自身阻尼比便于调节的摆锤式调谐质量阻尼器(PTMD)进行减振设计,并进行有限元模拟和模型试验以验证可行性。结果表明：多个PTMD协同控制可实现吊索的宽频阻尼减振,其各向同性特征可实现吊索多向振动控制;建议龙门大桥采用在加强原有刚性减振架的基础上,将多个PTMD按振型参与最大原则离散布置在刚性减振架上,集成刚性减振架刚性连接和PTMD调谐减振功能,实现该桥长吊索宽频阻尼减振。     

大跨度铁路悬索桥纵向位移特征及纵向支承要求

为研究大跨度铁路悬索桥合理的纵向支承体系,从理论上分析大跨度悬索桥的刚度特性及大跨度铁路悬索桥的纵向位移特征,并以某主跨1 060m上承式钢桁梁铁路悬索桥为例,分析大跨度铁路悬索桥在列车荷载作用下的梁端纵向位移特征,研究不同纵向支承体系对悬索桥加劲梁梁端纵向位移及速度的影响,最后给出大跨度铁路悬索桥纵向支承设计的要求。结果表明:竖向荷载作用下,结构产生显著纵向位移,是悬索桥的基本结构特征;竖向荷载作用在悬索桥加劲梁上不同位置时,加劲梁梁端纵向位移差别大;铁路列车作为快速移动荷载,具有规则、连续的特征,从而导致铁路悬索桥梁端频繁快速活动,此为梁端伸缩装置、支座、吊索耐久性的控制性因素。     

中央扣对悬索桥动力特性及短吊索车载激励响应的影响

为实现运营阶段中央扣对悬索桥动力特性及车载激励下短吊索响应影响的量化分析,进而为悬索桥设计及维养策略提供参考,基于已编制的车-桥耦合分析系统,引入制动惯性力及俯仰力矩模拟车辆制动力,建立了考虑车辆制动过程的车-桥耦合分析系统;以一座单跨地锚式悬索桥为工程背景,建立无、有中央扣2种缆梁连接体系的全桥空间有限元模型,研究中央扣对悬索桥动力特性及行车激励下短吊索缆梁相对位移响应的影响;采用建立的分析系统,考虑不同制动位置、初速度及减速度研究中央扣对短吊索制动激励响应的控制作用;考虑短吊索因缆梁相对错动产生的弯曲应力,建立车流激励下短吊索疲劳损伤的分析流程,研究中央扣对短吊索的等效疲劳应力幅值及疲劳损伤度的影响。分析结果表明：中央扣提高了悬索桥的纵飘及扭转刚度,改变了缆梁间的相对运动特性,减小了缆梁错动循环次数及位移幅值,可有效控制行车激励下60.3%以上的短吊索缆梁相对位移响应;考虑不同制动位置、初速度及减速度的取值,中央扣对短吊索缆梁相对位移幅值的减弱率可分别达92.9%、85.1%及85%以上,有效降低了短吊索制动激励响应对3个制动参数的敏感性;中央扣对随机车载下短吊索轴向应力幅值的影响较小,而对因缆梁相对错动产生的弯曲应力幅值影响较大,减弱了短吊索的等效疲劳应力幅值及疲劳损伤度,尤其是距中央扣位置最近的短吊索,疲劳损伤度降低了近71.4%;因此,中央扣可有效控制运营阶段悬索桥短吊索的车载激励响应。     

考虑流固耦合作用的大跨度桥梁风振响应研究

为更准确研究大跨度桥梁的风致振动特性,为设计提供更可靠的方法,对考虑流固耦合作用的大跨度桥梁风振响应进行了研究。介绍了一种流固耦合分析的强耦合方法,同时求解流体控制方程和结构控制方程,计算出全场变量值。给出了与求解方法相应的湍流模型和边界条件。对大跨度悬索桥进行了风振响应分析和颤振分析,与已有文献进行了结果对比。研究表明:发生颤振时,考虑流固耦合作用时桥梁的颤振临界风速要小于不考虑流固耦合作用时的情况,其风振响应要大于不考虑耦合作用的风振响应,说明在气动弹失稳的情况下,流固耦合作用加深了结构的不稳定性。结果表明流固耦合效应对于大跨度悬索桥风振响应有重要影响,强耦合计算方法可以较准确地预测其风致振动特性。     

桥塔尾流风作用下吊索尾流致振动模型与参数分析

现场实测表明,大跨度悬索桥塔后吊索受桥塔尾流影响常发生大幅尾流致振.为研究该振动机理,同时为工程设计和应用实践提供理论指导,以某大跨悬索桥桥塔单根塔柱和塔后吊索为研究对象,首先进行了大比例尺节段模型的风洞试验.通过试验,再现吊索在桥塔尾流区内的尾流致振现象,研究吊索的振动特征与桥塔尾流风速特征.在此基础上,考虑尾流刚度...     

张靖皋北航道桥主梁气动选型研究

张靖皋长江大桥北航道桥为主跨长1208 m、主梁宽47.7 m的大跨径钢箱梁悬索桥。桥梁跨度大、主梁宽高比大,导致该桥对风的作用极为敏感。为有效提高该桥的涡振稳定性和颤振稳定性,采用1:50节段模型风洞试验,对多种气动抑振措施组合进行了研究。试验对比了不同气动措施,包括检修车轨道、导流板、上中央稳定板、水平稳定板和检修道栏杆对涡振性能的影响,同时验证了相对应的颤振稳定性,最终确定了一个可以在各风攻角下完全消除主梁涡振、并满足颤振设计要求的气动抑振组合措施。研究成果对采用整体箱梁的大跨度悬索桥的气动性能设计具有重要的参考意义。     

新型大跨度自锚式悬索桥节段模型涡激共振对比研究

以我国东南沿海台风多发区2座大跨度自锚式悬索桥为工程背景,运用节段模型风洞试验技术,采用l:80加劲梁节段模型研究了2座桥的涡激共振响应,包括-50、-30、00、 30、 50五种风攻角,2种不同施工状态的共20个试验工况,综合分析了大跨度自锚式悬索桥在无任何附加措施情况下抵抗涡激振动的性能.     

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。     

悬索桥的构造选择

随着悬索桥跨径的不断增大跨径斜拉桥对大跨度悬索桥的构造形式进行研究十分必要。通过研究反映悬索桥构造特性的力学参数与悬索桥中跨跨长、弯曲频率、扭转频率及弯扭频率之间的关系，指出了大跨度悬索桥可能的构造形式及选择方案。     

某大跨度悬索桥抗震、抗风技术研究

以某单跨838m的钢-混悬索桥为例,介绍了该大跨度悬索桥的抗震、抗风标准及采用的减震、抗风措施。即通过在塔梁之间设置4套阻尼器,降低结构纵向地震位移响应;通过设置中央扣索,增加结构的反对称扭转频率;通过设置稳定板,提高结构颤振临界风速,并起到抑制涡振振幅的作用。     

大跨度人行悬索桥静动力特性研究

大跨度人行悬索桥广泛应用于跨越景区水域及山谷,其宽跨比通常较小,静动力特性突显。以某338 m主跨地锚式人行悬索桥为工程背景,采用模型仿真、理论分析和节段模型试验相结合的方法,研究大跨度人行悬索桥结构的静动力特性。研究结果表明:大桥在各个荷载工况下,结构的静力响应均满足规范要求;人行桥的人致振动问题突出,3阶竖弯模态和2阶侧弯模态需进行减振设计,最终优化采用电涡流调谐质量阻尼器减振方案;加劲梁三分力系数分别为阻力系数1. 663,升力系数-0. 121,俯仰扭矩系数0. 001,静风临界风速和颤振临界风速分别为116和53. 1 m/s,均大于设计检验风速,满足相关规范要求。大跨度人行悬索桥设计及静动力特性研究为类似桥梁的设计研究提供参考。     

提高CFRP缆索悬索桥抗风稳定性的结构措施研究

为研究大跨度CFRP缆索悬索桥在设计风速下的抗风稳定性,对抗风设计规范中临界风速和颤振稳定系数计算公式进行整理,发现提高悬索桥的竖向弯曲基频和扭转基频可以提高桥梁的抗风稳定性。以日本明石海峡大桥为背景探索性设计了主跨2 000m的CFRP缆索悬索桥和钢缆索悬索桥,分别计算了采用2种材料、3种吊索方案(交叉吊索、空间缆索、索桁)的不同桥梁的动力特性。经对比分析得出以下结论:综合交叉索方案可以显著提高对称和反对称扭转振动频率;空间缆索方案扭转频率提高不显著且施工困难;索桁方案各个方向振动频率均得到提高,但材料用量大,施工工艺复杂;采用CFRP缆索有利于提高悬索桥的抗风稳定性。     

基于数值风洞的大跨简支叠合梁悬索桥抗风性能研究

抗风性能是大跨悬索桥结构设计和建造过程中的主要控制因素之一。某主跨420 m悬索桥采用箱型双主梁+钢横梁+混凝土桥面板的叠合梁形式,主梁宽38.0 m,高2.5 m,为准确把握该大跨简支叠合梁悬索桥的抗风性能,采用数值风洞技术进行了系统研究。结合规范给出了设计风参数,应用大型动力有限元程序计算了动力特性,采用计算流体动力学(CFD)方法计算了主梁断面的静气动力系数和气动导数,进行了颤振和涡激共振稳定性研究及成桥风振响应分析。结果表明:该大跨简支叠合梁悬索桥具有较好的颤振和涡激共振稳定性,且成桥状态风振响应满足规范要求。     

悬索桥骑跨式吊索驰振气动干扰效应数值分析

针对悬索桥骑跨式吊索四根索股相距较近存在较强的气动干扰效应问题,参照某大跨径悬索桥的吊索参数,对骑跨式吊索四圆柱驰振气动干扰效应问题进行了数值研究,得到了四圆柱的阻力和升力系数及其气动力导数,然后,对在上游钝体尾流中的下游钝体的稳定性进行了分析.结果表明:顺风向上游钝体在风攻角-8°～6°范围内处于不稳定状态,顺风向下游钝体在-6°～0°和4°～6°范围内处于不稳定状态,处于此不稳定区域内的钝体可能会发生驰振.     

基于实测加速度的悬索桥涡振全过程模态参数演变

为探明桥梁涡振全过程模态参数演变规律，对发生涡振的某悬索桥12 d实测加速度数据进行分析。首先，基于涡振特征指标与改进的随机子空间法，识别并追踪桥梁涡振分布和模态参数；然后，根据涡振报警级别将频率、阻尼比进行分类，研究模态参数在涡振前、中、后的变化规律；最后，分析模态参数与涡振特性之间的相关性。结果表明：在这12 d内，该悬索桥间断地发生了多次、多阶频率，多种程度的涡振；前6阶频率均值仅由于环境影响出现小幅度波动；在涡振期间，各阶频率离散性更小，波动范围仅在0.002 Hz左右；前6阶阻尼比均值线基本保持在稳定区间内，但局部波动变异很大；在涡振期间，由于气动阻尼影响，桥梁涡振锁定频率所在阶次对应的识别阻尼比先明显下降后很快恢复，其他阶次阻尼比没有明显变化；涡振对阻尼比识别值影响较大，但对结构阻尼比影响很小。研究结果揭示了该悬索桥涡振全过程的频率和阻尼比变化规律及其与涡振的关系，可为更准确找出涡振原因和涡振管控提供参考。