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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

圆柱结构涡激共振耦合效应及其抗风设计参数

为了解决亚临界区圆形断面细长结构涡激共振抗风设计参数取值不明确的问题,针对土木工程领域小直径圆形细长结构在亚临界区的涡激共振现象,对其涡激共振耦合效应进行了研究,获得其抗风设计的主要气动力参数。采用弹性悬挂节断模型风洞试验,模型两侧采用斜置上下不等刚度的弹簧提供三自由度的振动模型,试验风速对应的雷诺数区位于亚临界雷诺数区,分别测试风速增大和减小2种状态下模型的涡激共振,试验采用激光位移计和压力扫描阀同步测试模型振动位移和表面风压,通过分析位移和风压之间的关系,揭示涡激共振发生的耦合状态,并基于涡激共振抗风设计的要求,给出涡激共振锁定区间、气动力系数等抗风设计参数。结果表明：风速增大和减小2种状态下,涡激共振的耦合状态不同,风速增大过程中锁定区间更长;在锁定区间内存在强耦合和弱耦合2种机理的耦合状态,强耦合状态下的升力系数标准差和平均阻力系数值更大,旋涡脱落频率更强,气动力和流场的波动也更强;基于此,建议在对亚临界区的圆形断面结构进行涡激共振设计时,锁定区间为1.0~1.3倍起振风速,其中1.0~1.1倍起振风速范围内按照强耦合状态设计并考虑由耦合效应引起的气动力增强,1.1~1.3倍起振风速范围内按照弱耦合状态设计。     

抑涡格栅对宽幅分离式双箱梁涡振性能的影响研究

为研究抑涡格栅对分离式双箱梁涡振性能的抑制效果及格栅设计参数对其抑振效果的影响,以某大跨分离式双箱梁悬索桥为背景进行节段模型风洞试验,研究格栅透风率、格栅条宽度、格栅布置方式及设置位置对加劲梁涡振性能的影响,并采用计算流体力学(CFD)方法分析断面流场特性,揭示加劲梁产生涡振的原因及格栅的抑振机理。结果表明:设置格栅能有效抑制分离式双箱梁的涡振;分离式双箱梁的涡振振幅随格栅透风率的增加先增大后减小,33%~67%为最优透风率区间;格栅的抑振效果随格栅条宽度的增大而增强;格栅均匀布置比非均匀布置时抑振效果更好;在分离式双箱梁中央开槽上表面设置格栅比在下表面设置格栅抑振效果更优;产生涡振的气动力来源于下游侧箱梁处简谐变化的升力,设置格栅后上游侧箱梁产生的尾流旋涡会被格栅打碎,从而消除下游侧简谐变化的升力。     

大型斜拉桥圆柱形桥塔涡激共振的控制

为了研究大形斜拉桥圆柱形桥塔的涡激共振特性,并且对其进行有效的控制,通过分析大形斜拉桥圆柱型桥塔的边界条件特点,建立桥塔计算模型,基于此模型分析了桥塔的固有特性;由风致涡激振动理论及有关空气动力学原理确定漩涡发放频率以及升力幅值;考虑桥塔的形状结构特点以及发生共振时的频率锁定现象确定锁定区域;提出了5个控制桥塔涡激共振的方案,理论分析和数值计算结果表明:方案5——改变锁定区域结构形式,不仅能够使桥塔避免或减弱涡激共振,与其他4个方案相比,该方案在造价和施工方面具有明显的优势,同时增加附属结构不会影响桥梁其他的相关结构,因此确定方案5——改变锁定区域结构形式为最佳控制方案。     

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。     

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。     

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。     

气动干扰对分离双扁平箱梁三分力系数的影响

为研究分离双主梁间距及风攻角对分离双扁平箱梁三分力系数气动干扰效应的影响,制作缩尺比为1∶50的分离双扁平箱梁节段模型,进行风洞试验。测试-10°~10°风攻角范围内分离双扁平箱梁在15个不同间距(双箱梁的净间距D与单幅箱梁宽B之比的变化范围为0.025~6)下的三分力系数,并与单幅扁平箱梁的三分力系数进行对比。结果表明:气动干扰对分离双扁平箱梁三分力系数的影响主要表现为对下游箱梁的影响。对阻力系数而言,这种影响主要体现在D/B≤1的间距范围,且表现为减小效应;对升力系数而言,这种影响主要体现在负向风攻角,且表现为减小效应;对扭矩系数而言,这种影响主要体现在大风攻角,在正向和负向大风攻角时分别表现为放大效应和减小效应。     

桥梁断面静三分力系数的CFD计算分析

利用流体分析软件Fluent计算了不同桥梁断面型式在中等雷诺数时和不同攻角下的阻力系数和升力系数。文中选用6类不同桥梁断面型式进行了计算分析。通过计算得出的阻力、升力系数随攻角的变化对比以及风场压力云图直观反映,初步分析了各类断面在静风作用下三分力系数值的特性。计算结果表明,钝体断面其阻力系数的变化形式相似,而上下不对称开口会造成其升力系数的变化;而流线型断面,其阻力系数与钝体断面截然不同,与攻角有直接的关系,实际应用需要多注意。     

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。     

节段模型长宽比对风洞测力试验及计算分析的影响

为提高风洞试验数据的可靠性、了解节段模型端部效应对试验结果的影响,通过风洞试验与数值模拟相结合的方法针对典型桥梁断面制作多组不同长宽比的节段模型研究了节段模型长宽比对三分力系数的影响。利用不同长宽比节段模型试验得到的三分力系数,分析三分力试验误差对静风稳定性及抖振响应的影响。为进一步扩大模型长宽比的研究范围,借助了CFD方法重现风洞试验,在保证数值模拟精度的前提下开展了多个长宽比模型的气动力与流场分析,系统总结不同长宽比模型端部效应的影响规律。分析结果表明:为保证测力试验结果的精度和稳定性,节段模型长宽比建议大于等于3,对于流线型箱梁断面,可以适当放宽要求,节段模型长宽比应大于等于2;当长宽比小于建议值,得到的静风稳定结果和抖振响应结果偏危险,长宽比越小,偏差越大;流线型箱梁阻力系数单侧"影响区"的量纲一的长度约1,升力矩系数单侧"影响区"量纲一的长度约为0.6,升力系数的单侧"影响区"量纲一的长度明显远大于其他气动力系数。流线型断面顶板、底板的压力分布对长宽比的变化较为敏感,上、下游侧斜腹板的压力分布受长宽比的影响较小。     

基于位移测量的非线性涡激力模型参数识别方法

利用半经验数学模型来近似表示涡激力是目前研究涡激共振所采用的主要方法，但关于非线性涡激力模型参数的试验识别研究还较少，现有识别方法也有待改进。为了更方便可靠地识别非线性涡激力模型中的参数，根据能量等效原理推导出一种基于节段模型位移响应的气动参数识别新方法。通过节段模型风洞试验测得中央开槽箱梁断面的扭转涡激共振位移响应，应用新方法识别简化非线性涡激扭矩模型中的气动参数，并对参数识别精度做出评价。将新方法与Ehsan等所建议的位移法以及基于实测力时程的三步最小二乘拟合法进行了对比。结果表明：利用新方法识别得到的气动参数可以较好地预测系统的扭转涡激共振位移响应；基于一致的系统线性机械参数，新方法识别得到的气动参数与Ehsan等所建议位移法的识别结果基本相同，而新方法能进一步考虑对识别结果影响较为显著的机械参数非线性特性；当新方法考虑非线性机械参数时，其识别结果和基于实测力时程的三步最小二乘拟合法相比也十分吻合，并且新方法更为简便。     

大尺度闭口扁平钢箱梁涡激力半经验模型比较

涡激力半经验模型基于试验结果,描述涡激振动响应特征,属于现象学范畴。目前工程应用较多的主要有经验线性模型、Scanlan非线性模型和Larsen广义模型。常规尺度(1∶60左右)节段模型较小,受雷诺数效应及模型细节处理不够精确等因素影响,试验结果与实际结构往往会存在一定差异。大尺度主梁节段模型(通常为1∶15～1∶20)试验雷诺数更接近实桥,更精确地模拟主梁细节,可测得更精细准确的涡振振幅和涡振区。通过一大跨度悬索桥扁平箱梁1∶20大尺度节段模型涡振试验,基于经验线性模型、Scanlan非线性模型和Larsen广义模型识别涡激力。分析三种半经验模型在描述涡激力和涡振响应方面的特点,为类似工程应用提供参考依据。最后根据沿跨向涡激振动研究进展,提出了三维涡激振动研究问题。