基于CFD的大跨度钢-混组合梁斜拉桥抗风性能分析

为阐明钢-混组合梁形式的斜拉桥抗风性能,以某钢-混叠合梁大跨度斜拉桥为工程实例,采用基于CFD方法的数值模拟,开展大跨度斜拉桥钢-混叠合梁式主梁截面气动力参数的计算分析,同时研究了大跨度斜拉桥颤振和抖振特性。研究结果表明:根据颤振分析结果,颤振风速为63.7m/s小于颤振临界风速为97.6m/s,颤振性能良好;由抖振响应分析结果可知,桥梁具有良好的风致振动性能。     

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。     

芜湖长江公铁大桥主桥抗风性能试验研究

商合杭铁路芜湖长江公铁大桥主桥为主跨588m的钢箱桁组合梁斜拉桥。为确定该桥在施工期和运营期的抗风安全性,对其开展抗风性能研究。分别进行主梁节段模型、桥塔气弹模型、全桥气弹模型及并列拉索风洞试验,研究该桥在成桥状态及最不利施工状态的风致响应。结果表明:施工和成桥状态下,该桥主梁的颤振临界风速均远大于颤振检验风速,颤振稳定性较好;不同风速下均未观测到明显涡振,涡振性能满足规范要求;设计风速内,不同来流偏角下桥塔均未发生驰振及影响施工的大幅涡振,动力稳定性良好;实桥风速达到84.0m/s时主梁仍未发生颤振、横向屈曲、扭转发散等静力失稳现象,也未发现影响施工的涡振和大幅抖振;最不利工况下,下游拉索在风速37.4m/s时即出现一阶大幅尾流驰振,设置刚性连接杆可以有效抑制尾流驰振现象。     

基于CFD数值模拟对大跨桥梁主梁断面颤振研究

随着桥梁设计跨度增大,结构对风荷载作用极为敏感。采用CFD数值模拟方法研究桃花峪黄河大桥主梁断面颤振问题,根据分状态强迫振动法给出了颤振导数识别方法建立了数值计算模型,经计算得出结论:在+5°风攻角下造成竖向振幅为0.03 m所需风速约为13.2 m/s,在+3°风攻角下造成相同竖向振幅所需风速约为14.2 m/s;在+5°风攻角下造成扭转振幅为6°所需风速约为13.1 m/s,在+3°风攻角下造成相同扭转振幅为6°所需风速约为14.0 m/s,风攻角是颤振重要因素;经模拟气动流场得到主梁结构在0°、+3°及-3°攻角下颤振临界状态涡量变化情况可知随着风速增大涡量图为一对细长互不干涉正负涡量逐步增大至正负交替漩涡,在尾流处耦合成2个相互交替大漩涡。     

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。     

基于流固耦合的加劲梁上部翼板颤振主动控制分析

针对目前悬索桥加劲梁气动翼板颤振主动控制数值计算方法的局限性,提出采用流固耦合方法对加劲梁上部气动翼板的颤振控制进行分析。通过对Fluent软件二次开发,建立加劲梁-气动翼板系统流固耦合数值仿真计算模型,分析桥梁的颤振性能。以大贝尔特东桥为背景,采用流固耦合方法分析加劲梁上部设置气动翼板前、后该桥的颤振临界风速,研究气动翼板角速度对颤振临界风速的影响。结果表明:该桥颤振临界风速的数值仿真计算结果(72.0~74.0m/s)和节段模型风洞试验结果(70.0~72.9m/s)吻合较好;加劲梁上部设置气动翼板后,当前气动翼板与加劲梁扭转方向相反、后气动翼板与加劲梁扭转方向相同时,能显著提高加劲梁颤振临界风速;加劲梁最大扭转角随气动翼板角速度的增大逐渐减小。     

南京仙新路过江通道主桥抗风性能风洞试验研究

仙新路过江通道主桥为跨径布置(580+1 760+580) m的悬索桥，桥塔高267 m,加劲梁采用整体式闭口钢箱梁。为研究该桥运营阶段抗风性能，通过1∶50缩尺比加劲梁节段模型风洞试验分析大桥的驰振性能及提高大桥颤振性能的气动措施；通过1∶140缩尺比全桥气弹模型风洞试验，验证大桥的颤振、静风稳定性，并研究桥梁的抖振响应。结果表明：该桥在常遇风攻角范围内(-3°～+3°)不具备发生驰振的必要条件，加劲梁断面具有良好的驰振稳定性；加劲梁原始断面的颤振稳定性不满足规范要求，在中央防撞护栏间增设0.67 m高中央稳定板后，颤振临界风速高于颤振检验风速并具有一定的富余量；采用优化措施后，大桥具备良好的静风与颤振稳定性，加劲梁、桥塔在设计风速下各测点抖振响应值较小且均未发生不稳定振动或发散性振动。     

台风“海葵”作用下苏通大桥抖振全过程实测研究

为给大跨度斜拉桥的抗风设计提供参考,以苏通长江公路大桥(主跨1 088m的双塔双索面钢箱梁斜拉桥)为研究对象,利用结构健康监测系统采集的台风"海葵"全过程风环境和结构振动数据,采用频谱分析和数理统计方法进行了该桥风致抖振响应的实测研究。研究结果表明,该桥斜拉索和主梁的抖振加速度RMS值总体上随风速的增大而增大;就本次实测而言,该桥主梁和斜拉索的抖振加速度响应在风速大于15m/s时陡然增大,值得引起注意;与其他斜拉桥相比,该桥斜拉索在台风下的抖振响应较小,验证了其减振措施的有效性。     

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。     

山区超高塔斜拉桥主梁断面气动选型风洞试验研究

π形主梁断面气动稳定性较差是限制其在大跨度桥梁中广泛应用的重要原因之一。以某拟建山区大跨度超高塔结合梁斜拉桥为背景,通过风洞试验对比研究了2种π形主梁断面形式的气动三分力系数、涡振性能和颤振性能。试验结果表明,宽高比较大的主梁断面其气动三分力系数的稳定性较好;桥面附属设施降低了断面的流线性,减小了涡振起振风速,易引起断面扭转涡振。通过对2种断面气动性能的综合比较,宽高比较大、横梁高度较小的主梁断面气动性能更优。     

气动翼板抑制悬索桥颤振的物理机理

从能量的角度研究气动翼板控制悬索桥颤振的物理机理。基于弯扭二模态耦合颤振系统,分别推导了气流由主梁和一对气动翼板输入系统的能量以及结构阻尼耗散能量的表达式。以某跨海方案桥为例进行了研究,结果表明：气动翼板能有效耗散气流由主梁输入系统的能量,桥梁颤振临界风速提高达30％。     

庙嘴长江大桥大江桥颤振稳定性分析研究

为了解大跨度钢-混凝土结合梁悬索桥的抗风性能,以庙嘴长江大桥大江桥(主跨838m的悬索桥,加劲梁为钢-混凝土结合梁)为背景进行颤振稳定性研究。对该桥进行1∶50的缩尺节段模型颤振稳定性试验,根据试验结果进行气动优化措施分析,采取了在加劲梁断面增加2道1/4下稳定板的措施;针对优化后的加劲梁,进行1∶118的全桥缩尺模型风洞试验,并采用有限元软件ANSYS建立全桥三维有限元模型,进行了施工状态及成桥状态下的颤振分析。结果表明:在加劲梁断面增加2道1/4下稳定板后,提高了桥梁的颤振稳定性能;在-3°、0°和+3°风攻角作用下,该桥在施工状态和成桥状态下的颤振临界风速均大于检验风速,颤振稳定性能满足规范要求,较好地改善了桥梁的抗风性能。     

基于风致静动力稳定性的超大跨径桥梁主梁比选研究

为寻求适用于超大跨度桥梁的具有更优气动特性的主梁断面,推动我国超大跨桥梁建设的发展,针对超大跨度桥梁原型设计中提出的5种主梁断面形式,采用CFD数值模拟方法计算得到了各断面的静力和动力气动参数,并进一步计算了对应5种主梁断面桥梁的静风失稳临界风速及颤振临界风速,对比了各断面的静动力稳定性能.结果表明,分离双箱主梁和分离3箱主梁的气动性能优于其他类型主梁断面;单箱主梁和双箱主梁气动特性目前已得到较大程度的优化,3箱主梁气动特性应具有较大的优化空间,椭圆形主梁及重力式主梁气动性能较差,优化价值有限.     

大跨度连续梁桥气弹模型风洞试验研究

以港珠澳大桥跨崖13-1气田管线变截面连续梁桥主桥为背景,设计制作全桥气弹模型,通过风洞试验研究大跨度连续梁桥抗风性能。均匀流条件试验结果表明,大跨度连续桥梁颤振稳定性很好,但存在发生涡激振动的可能。试验研究出附加结构阻尼的机械措施作为有效降低涡激振动的方案。紊流条件下抖振试验结果表明连续梁桥抖振响应很小。     

基于虚拟激励法的多维多点随机风作用下大跨度斜拉桥抖振响应研究

大跨度桥梁风致抖振在各种风速下均会发生,且精确响应计算也较为困难,针对此响应计算问题,提出了基于虚拟激励法的多维多点风致抖振响应计算方法。通过抖振力谱与来流风谱理论公式关系,将抖振力转化为多维虚拟力作用在桥梁结构有限元模型上,计算各频率点与时间点下的虚拟响应,积分得到随机响应均方根值,实现了通过直接在有限元模型上加载虚拟抖振力谱,同时可考虑结构的全频率参与贡献,快速求解随机风作用下桥梁抖振响应。通过计算分别选取基于风洞试验识别的气动导纳函数、跨向相干性函数与规范规定的跨向相干性函数和Sears函数时桥梁的抖振响应值,与全桥气弹模型风洞试验值进行对比,得出采用风洞试验识别得到的气动导纳函数、跨向相干性函数时的抖振响应结果与试验结果最为接近。     

大跨度斜拉桥主梁单悬臂施工风振控制

大跨度斜拉桥悬臂施工期抖振响应明显,采用谐波合成法对桥梁节点脉动风速时程进行模拟,基于Davenport抖振理论建立了大跨桥梁抖振时域分析方法。针对在建的某大桥主梁单悬臂施工期可能面遭遇台风袭击的情况,分别提出采用下拉索和调谐质量阻尼器(TMD)两种抗风措施方案,并进行减振效果对比分析。研究表明:大跨斜拉桥主梁悬臂施工期梁端风致振动响应较大,应予以重视;综合考虑航道等因素,采用调谐质量阻尼器(TMD)进行大跨度斜拉桥主梁悬臂施工期主梁振动控制效果较好。     

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。     

大沽河航道桥全桥气弹模型风洞试验研究

青岛海湾大桥大沽河航道桥为主跨260 m的独塔自锚式分离双箱梁悬索桥,运用ANSYS软件对成桥状态及施工状态进行动力特性分析,并依托全桥气弹模型风洞试验,采用1∶118的几何缩尺比进行成桥状态和施工状态的颤振及抖振试验,测定颤振临界风速及抖振响应,据此分析评估该桥的抗风性能。风洞试验结果表明,该桥具有较好的颤振稳定性。     

大攻角下超大跨度斜拉桥颤振性能节段模型风洞试验

为了研究一座1 400 m跨径流线型闭口箱梁断面斜拉桥的颤振性能，根据其风致静力失稳或颤振前主梁最大有效风攻角已接近±10°的特点，通过弹簧悬挂节段模型试验，开展了大攻角下桥梁颤振性能研究。试验发现，在4°~10°风攻角下，高风速时模型均出现了弯扭耦合程度较弱的自限幅非线性颤振现象；而在其他攻角下，高风速时模型则表现为常规的发散型弯扭耦合颤振。研究发现，经典的线性颤振理论无法适用于研究试验中大攻角下出现的非线性颤振现象。因此，采用了一种简化的非线性半经验数学模型来表示非线性颤振中的自激扭矩，并从试验模型颤振位移时程中识别得到了模型参数。基于这一非线性自激力模型，通过试验测得的位移信号来构造自激扭矩时程，再利用自激扭矩的做功时程来识别各个气动参数。之后，利用其中的部分气动参数构造气动阻尼，并基于结构阻尼系数与气动线性阻尼系数之和为零的判断条件，提出了一种针对非线性颤振现象的临界风速确定方法，同时将线性和非线性颤振的起振判断条件进行了很好的统一。研究结果表明，利用这一方法求得的颤振临界风速与风洞试验中出现的现象基本吻合。     

基于模态综合理论的斜拉桥时域抖振分析方法

基于大跨度斜拉桥风致抖振时域分析的复杂性,为提高时域分析效率,引入模态综合理论,提出一种斜拉桥抖振时域分析方法,并通过算例自编程序验证其正确性与可行性。考虑自然风的相关特性,采用谱解法将三维随机风场简化,横桥向和顺桥向风速谱采用沿高度变化的Simiu谱,竖向风速谱采用Lumley—Panofsky谱,编制程序实现大跨度斜拉桥随机风场的数值模拟,得到施加于结构上的风荷载时程。研究表明,大型结构的动力响应主要受若干低阶振型控制,因此在斜拉桥时域分析过程中引入模态综合理论,实现了抖振力和自激力的时域化过程,并且全面地考虑了气动阻尼、气动刚度和气动耦合作用的影响,有效地解决了考虑自激力的时域化过程复杂、计算代价过大的问题;最后通过编制程序对一座大跨度斜拉桥进行不同风速下的抖振时域分析,验证了其实用性。