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。     

特大跨径桁架加劲梁桥颤振稳定性气动优化措施风洞试验研究

以某特大跨径桁架加劲梁悬索桥为例,利用节段模型风洞试验,探讨研究桥面板中央开槽孔、加裙板、气动翼扳等各种气动控制措施对颤振临界风速的影响。试验结果表明,桥面板中央开槽、设置裙板、气动翼板都能够使桁架加劲梁桥颤振稳定性得到改善,但是都不能使各个攻角下的颤振临界风速都有所提高。气动翼板和桥面板中央开槽组合气动措施,且气动翼板的安装位置在桁架加劲梁弦杆,是最优化气动措施组合,可为类似大跨度桁架加劲梁桥抗风设计做参考。     

流线型箱梁气动外形对桥梁颤振和涡振的影响

以某流线型钢箱梁断面为例,详细研究了主梁气动外形变化对桥梁颤振和涡振性能的影响.基于1∶50节段模型风洞试验,分别研究了箱梁的栏杆、检修车轨道、风嘴、导流板,以及斜腹板对桥梁颤振及涡振性能的影响.研究表明,栏杆和检修车轨道将弱化桥梁断面的气动性能,而风嘴和导流板则对桥梁的颤振和涡振性能有利.值得提出的是,在其他气动外形保持不变,而斜腹板倾角变为15°时,桥梁的颤振性能不仅获得了较大提升,且涡振现象还可得到消除.此现象的初步机理为:较小的斜腹板倾角可阻碍和廷后流线型箱梁下风侧漩涡的形成和脱落,从而显著削弱漩涡脱落对桥梁涡振和颤振的影响.详细的气动机理还有待深入研究.此点发现对于大跨度桥梁的抗风设计具有重大的参考价值和实际意义,并已经成功应用于国内多座大跨度桥梁的气动外形设计中.     

扁平箱梁颤振后状态的振幅依存性研究

以舟岱通道大桥扁平箱梁断面为对象，通过节段模型风洞试验详细测试了该断面在风速超过颤振临界点后，振幅随风速变化的颤振后振动特性。基于变振幅的运动时程，阐释了气动阻尼、相位差及颤振导数等参数的振幅依存特性，提出了变振幅条件下的各参数的识别方法，指出了影响扁平箱梁颤振后特性的主要因素，并利用耦合颤振闭合解法进行了验证。研究结果表明：扁平箱梁在颤振后的振动过程中，气动阻尼具有明显的振幅依存性，相位差的振幅依存性较弱，振幅比基本不具有振幅依存性；颤振导数A₂^*随振幅变化而显著变化，是影响气动阻尼改变的最主要因素，其余颤振导数具有一定的振幅依存性，但对气动阻尼的影响较小。最后从气动阻尼随振幅变化的角度初步阐释了扁平箱梁在颤振后发生不同振动现象的动力学机理，并从气动阻尼曲线存在多个零点的角度解释了扁平箱梁在同一风速下具有多个稳定振幅点的可能性。     

1400m跨径钢箱梁斜拉桥方案颤振控制气动措施试验研究

为寻找合理可行的颤振控制气动措施,使超千米跨径斜拉桥的颤振临界风速超过80m/s,以主跨1 400 m的钢箱梁斜拉桥设计方案为背景,通过节段模型风洞试验对中央稳定板、中央开槽、悬臂水平分离板、风嘴锐化等各种超千米斜拉桥颤振控制气动措施的效果进行了研究.研究表明:1.5 m悬臂水平分离板加40°锐化风嘴角的颤振控制组合气动措施,能够显著改善桥梁的颤振性能、实现颤振临界风速不低于80 m/s的目标;从颤振稳定性角度验证了1 400 m斜拉桥方案的可行性;超千米斜拉桥的颤振稳定性的富余度往往不高,设计必须考虑斜风效应的不利影响.     

大跨度人行悬索桥颤振控制措施研究

为了解不同气动措施对人行悬索桥颤振稳定性的影响,以某460 m主跨人行悬索桥为例,通过节段模型风洞试验研究了稳定板、改变护栏透风率、增大主梁透风率等气动措施对颤振稳定性的影响.结果表明:1)增大主梁透风率能提高颤振稳定性能;2)封闭人行道护栏能起到类似上稳定板的作用,在模型背风侧添加稳定板能更好地抑制此攻角颤振发生,合...     

主梁断面形式对大跨斜拉桥风致稳定性的影响研究

为了解主梁气动外形对大跨度斜拉桥静风稳定性和颤振稳定性的影响,以某主跨2×1 500m的三塔双索面斜拉桥为背景,采用风洞试验和数值计算相结合的方法对比分离箱梁、桁架梁和闭口箱梁3种典型主梁断面形式下桥梁的静风稳定性和颤振稳定性。结果表明:分离箱梁断面的静风稳定性和颤振稳定性均优于闭口箱梁和桁架梁断面;对于分离箱梁和桁架梁断面,各风攻角下均先出现静风失稳,静风失稳控制抗风设计;对于闭口箱梁断面,+3°风攻角下首先出现颤振失稳,-3°和0°风攻角下首先出现静风失稳。     

三种典型主梁断面的悬索桥颤振性能差异

为了揭示主梁基本气动外形对悬索桥颤振性能的影响,以一座大跨悬索桥为例,分别选取流线型箱型、边箱型与分离式双箱型3种典型断面作为大桥主梁的基本气动外形。采用强迫振动法并基于CFD数值模拟获取各断面的气动参数,并采用阶跃函数法建立主梁的气动自激力时域模型;然后利用ANSYS平台进行全桥时域颤振有限元分析,得到各断面对应的颤振临界风速与颤振频率。结果表明：分离式双箱断面的颤振性能最佳,其颤振临界风速达到109.6 m/s,远高于其他2种断面;流线型断面与边箱型断面的颤振临界风速分别为89.4 m/s与86.9 m/s,两者的颤振性能相差不大;由频谱及相位分析可知,3种断面的颤振频率介于竖弯与扭转基频之间,颤振形式表现为不同程度的扭弯耦合振动。     

大跨桥梁主梁风致稳定性被动气动控制措施综述

颤振和涡振是大跨桥梁风致振动控制的核心研究对象，而被动气动控制措施是当前最常用的抑振方法。为了提高气动选型和优化的效率，系统调研了既有的颤振、涡振被动气动控制措施，发现对于有类似气动特性的主梁，被动气动控制措施在颤振、涡振控制方面存在较明显的趋同性。在选择颤振、涡振气动控制措施时，有必要紧密结合主梁气动外型分类。为此，基于大跨度桥梁中最常见的4种主梁类型（双边主梁、整体式箱梁、分体式箱梁以及桁架梁），综述了被动气动控制措施在改善主梁颤振、涡振性能时的优化思路，提出了基于气动附属物（稳定板、格栅、风障、翼板、分流板、裙板、导流板、隔流板等）的形状和位置优化原则，推荐了考虑主梁固有外形（主梁开槽、槽内倒角、设计风嘴、调整栏杆和检修轨道形式）的附加构件尺寸设置策略。研究结果可为大跨度桥梁主梁选型设计阶段提供气动选型方面的参考和借鉴。     

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。     

封闭式扁平钢箱梁颤振稳定性气动优化措施风洞试验研究

以某大跨度悬索桥封闭式扁平钢箱梁为例,利用节段模型风洞试验,研究风嘴、导流板、栏杆、导轨对颤振临界风速的影响。试验结果表明,导流板、风嘴和栏杆透风率对颤振临界风速影响显著,栏杆位置和导轨位置对颤振临界风速影响不大,最终确定了一种气动外形较优方案,为类似钢箱梁抗风设计提供了借鉴经验。     

设置中央稳定板对大跨度悬索桥抗风性能的影响

在润扬长江公路大桥南汊悬索桥的节段模型风洞试验中,研究了稳定板高度对动力抗风稳定性的影响,采用了增设0.65 m高中央稳定板的有效措施,并获得了原断面和增设中央稳定板断面的气动导数和三分力系数;采用非线性静风和颤抖振时域方法,研究了设置中央稳定板对静动力抗风性能影响。结果表明,恰当地设置中央稳定板,不仅能够提高桥梁的颤振临界风速,还能够降低结构的抖振响应,而结构的静风失稳风速在正攻角下有所降低。     

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。     

基于主动翼板的桥梁颤振次最优控制

颤振是大跨度桥梁抗风设计中的关键问题。通过对颤振进行主动控制影响桥梁的气动形态从而改变作用于结构上的气动力，达到抑制颤振的目的，对于大跨度桥梁的颤振控制是行之有效的手段。但是桥梁的颤振主动控制涉及到气动力的获取和控制率的优化问题，迄今未能完全解决。结合桥梁主动控制前期研究并借鉴航空领域中的颤振主动控制原理，研究了基于主动翼板的桥梁颤振控制问题；基于机翼-副翼理论和颤振导数形式给出了流线箱梁-主动翼板的自激气动力表达式，同时考虑主梁钝体特性和其与主动翼板气动干扰效应；由流线箱梁-主动翼板的气动力表达式和试验控制的诉求，采用次最优控制理论，构造基于少数状态变量的桥梁颤振系统反馈控制方程。根据流线箱梁-主动翼板气动力表达式和次最优控制理论，针对平板-翼板和流线箱梁-翼板系统，首先由数值风洞获取系统的气动力，并采用自编程序解算次最优颤振控制律；最后通过计算流体动力学（CFD）流固耦合数值仿真对控制效果进行检验。结果表明：对于平板-翼板系统，基于流线箱梁-主动翼板气动力表达式而获取的颤振导数与理论解吻合，验证了该气动力表达式的准确性，可用于后续控制分析；结合系统的气动力，次最优控制率在超越无控制结构的临界风速下，能够快速抑振。据此，主梁-翼板系统的次最优控制可面向实际抑制桥梁颤振，并提高颤振临界风速。     

气动力矩阵和气动导数对桥梁颤振稳定性的影响

采用集中气动力矩阵和一致气动力矩阵2种不同形式的气动力矩阵,并利用4种不同截面的气动导数研究了气动力矩阵对颤振临界状态的影响;采用理想平板的气动导数研究了各气动导数对颤振临界状态的影响。结果表明:采用集中气动力矩阵可降低颤振临界风速,使结果偏于保守;各气动导数对量纲一的风速和颤振临界风速均有一定影响,而对颤振频率影响较小,从而进一步证实了采用流线型断面形式的桥梁,其颤振形态是弯扭耦合的经典颤振。     

预应力对曲线钢-混凝土结合梁桥内力的影响及计算方法

基于有限元程序Sap2000建模分析了曲线钢-混凝土结合梁预应力作用下混凝土桥面板、箱梁底板的纵向应力和竖向变形,并给出了钢箱上翼缘及腹板竖向变形云图;结合预应力张拉前后中跨跨中截面顶板径向位移对比表和径向位移差值表,说明预应力作用下在最大跨跨中产生了明显的预拱,且外箱拱起量明显大于内箱;桥面板中跨跨中处径向位移的差值沿桥面宽度由内向外呈线性逐渐增大,内箱有向外移动的趋势,而外箱有向内移动的趋势,这些均由整个截面受到预应力产生的向心与向上扭转的转矩所致。     

峡谷底斜拉桥抗风性能改善试验研究

采用节段模型风洞试验的方法对某峡谷底斜拉桥---西藏迫龙沟斜拉桥的抗风性能进行了改善研究。首先,借助于地形风洞试验结果获得了桥位处风攻角和风偏角大小,并确定了大桥颤振检验风速和颤振试验的风攻角范围;然后,考察了大桥原方案的颤振稳定性并通过气动措施改善了原方案的颤振性能;最后检验了施加气动措施前后大桥涡激共振特性。研究结果表明：峡谷底大跨度桥梁的设计基准高度可参照桥面高度确定,但有必要进行地形试验确定桥位处风攻角和风偏角的实际情况;迫龙沟大桥颤振稳定性出现了＆#177;3＆#176;和0＆#176;风攻角下满足要求而5＆#176;风攻角下不满足要求的现象,因此峡谷底大跨度桥梁颤振稳定性检验只进行《规范》建议的风攻角试验可能存在安全隐患;颤振性能改善措施选取时,应考虑斜风的不利影响,确保大桥有足够的颤振稳定性安全储备。