紊流影响下车-桥系统气动力特性风洞试验

为了研究横风作用下紊流参数对车-桥系统气动力特性的影响，以典型32 m简支梁桥和CRH2列车头车为背景，首先根据阻塞比要求设计几何缩尺比为1：25的桥梁和列车测压试验模型；然后通过在风洞试验段入口处采用"格栅条"被动紊流发生装置，模拟一系列紊流风场；最后开展不同工况下车-桥组合风洞动态测压试验，测试列车和桥梁表面风压，并积分获得列车和桥梁气动力。基于此，分析了双线轨道不同位置下，顺风向紊流度、紊流积分尺度对列车表面风压和车-桥气动力分布的影响规律，并讨论了风攻角对车-桥气动力系数的影响。结果表明：列车表面平均风压系数随紊流度的增加而减小，紊流风场中列车和桥梁气动侧力（阻力）系数均小于均匀流场；紊流度对迎风侧轨道列车的影响更为显著，而对车头气动力特性影响较小，车身侧力（阻力）系数随紊流度增加而显著降低，升力系数和力矩系数随紊流度的变化规律并不显著；桥梁气动力系数对紊流度变化的敏感程度小于列车，其侧力（阻力）系数并非随紊流度的增大而单调减小，升力系数随紊流度增加而增大，力矩系数随紊流度的变化规律并不明显；车-桥气动力系数受紊流积分尺度的影响小于紊流度，桥梁侧力（阻力）系数受影响程度大于升力系数和力矩系数；列车位于背风侧轨道时，车-桥气动力系数随紊流积分尺度变化的敏感程度小于列车位于迎风侧轨道；风攻角和紊流参数对车-桥气动力特性的影响是相互独立的，且受列车路线布置方式影响不大。研究结果为紊流风场下的行车安全性提供了数据和资料。     

雷暴风作用下流线型箱梁抖振力空间相关性时变特性试验

为了研究雷暴风作用下流线型箱梁断面抖振力空间相关性的时变特性，通过多风扇主动控制风洞开展雷暴风物理模拟和刚性节段模型测压试验。基于Priestley经典谱估计理论分析了非平稳脉动风和抖振力的时变相干函数，在此基础上，借鉴Jakobson研究成果提出了时变相干函数模型。最后，深入研究了紊流积分尺度时变特性对于抖振力空间相关性的影响，通过引入紊流三维效应因子的概念，揭示了雷暴风作用下流线型箱梁紊流三维效应的时变特征和作用机理。结果表明：雷暴风的时变积分尺度是影响流线型箱梁断面抖振力空间相关性时变特征的控制因素，由于该参数的引入，时变相干函数模型能够较好地描述非平稳抖振力的时变相关性；同时，当雷暴风在时变风速快速突变时，抖振升力的紊流三维效应时变特征明显，其变化趋势与积分尺度的时变规律相反，且存在一定的迟滞现象，其原因可能为风速突变产生的漩涡瞬态畸变效应导致。     

U形峡谷桥址区风特性实测研究

山区桥梁桥址区风场特性相比平原地区更加复杂,具有强烈的地形效应。针对某U形峡谷中三塔斜拉桥的中塔建立了高度方向的多个测点,测得了不同高度处的风速时程,通过统计分析得到桥位的平均风参数和脉动风参数及其统计规律。分析结果表明,该峡谷桥址区的平均风速剖面受地形影响大而且形式复杂,风攻角比规范推荐值大,顺、横、竖风向的湍流度比值与规范值的差异明显,湍流积分尺度、脉动风功率谱与规范相比也有所区别。     

风攻角对斜拉桥抖振的影响

在桥梁所处的自然环境中,来流风是有一定攻角的,在对桥梁进行抖振分析时,有必要对桥梁在不同攻角脉动风作用下进行分析计算,得出不同攻角下桥梁的抖振响应.文中以某公铁两用斜拉桥为例,采用谐波合成法模拟了该桥在基准风速下的脉动风场,采用线性时域分析方法研究了风攻角对斜拉桥抖振的影响.结果表明,该桥的抖振位移响应在正攻角下偏于不利.     

既有桥梁对新建斜拉桥主梁气动干扰效应的试验研究

为研究既有桥梁对新建斜拉桥主梁的气动干扰效应,以京珠高速改扩建汉江特大桥为背景,进行节段模型测力风洞试验。按1∶50缩尺比制作主梁节段缩尺模型,研究既有桥梁与新建斜拉桥相对位置关系、桥梁间距及风攻角对新建斜拉桥主梁三分力系数的影响。结果表明：既有桥梁对新建桥梁具有明显的气动干扰效应。既有桥梁在上游时,存在明显的遮挡效应,新建桥梁阻力系数整体显著减小;既有桥梁在下游时,新建桥梁阻力系数在正攻角范围内显著减小。升力系数受既有桥梁影响,绝对值整体减小,正攻角时既有桥梁在下游减小更显著。在正攻角范围内,既有桥梁在上游时新建桥梁升力矩系数增大,在下游时则整体减小;在负攻角范围内反之。桥梁间距对阻力系数气动干扰效应的影响突出,间距越大既有桥梁对新建桥梁阻力系数的气动干扰效应相对越小,对升力系数和升力矩系数气动干扰效应的影响较小。     

斜拉桥在施工双悬臂状态下受斜交风作用时的抖振响应分析

大跨度斜拉桥在施工双悬臂状态下受紊流风作用时,桥面将产生较大的抖振振幅,而紊流风的方位角对桥梁的抖振响应有较大影响。笔者从理论上分析了斜交风作用下桥梁抖振响应的计算方法,并结合实际算例分析了不同方位角下桥梁的抖振响应值。     

四渡河峡谷大桥桥位风的湍流特性实测分析

结合位于鄂西山区的四渡河峡谷大桥的抗风设计研究,在桥位现场用超声风速仪实测脉动风速时程数据,分析山区深切峡谷风的湍流特性。基于10 min平均时距划分子样本,统计分析峡谷桥位的风速、风向、阵风因子、湍流度、积分尺度和功率谱密度函数。结果表明:该桥所在的山区深切峡谷地形导致风的湍流脉动强度明显增大,表征涡旋大小的湍流积分尺度减小;湍流度随平均风速的增大而减小,积分尺度随平均风速的增大而增大;由实测数据拟合的山区峡谷功率谱密度函数模型存在低频迟滞区,山区峡谷风的湍流特性与规范推荐模型有较大差别。     

雷暴风作用下大跨度桥梁抖振响应智能预测研究

面向特异风环境桥梁风振实时推演，开展了雷暴风作用下大跨度桥梁抖振响应智能预测研究。以苏通大桥实测数据为基础，分析了风场参数与主梁抖振响应之间的相关性，确定了桥梁雷暴风效应的主要关联参数。基于前馈神经网络(FNN)、卷积神经网络(CNN)、长短期记忆网络(LSTM)、门控循环单元(GRU)等典型神经网络模型，以主要风场关联参数及历史抖振响应作为输入，开展了桥梁抖振响应预测网络架构与模型训练，并对比分析了4种模型的预测效果。研究结果表明：雷暴风作用下大跨度桥梁的抖振响应主要与平均风速、平均风向、脉动风速均方差、紊流积分尺度等风场参数密切相关；待预测的桥梁抖振响应与历史风场及桥梁状态参数有关，需考虑二者的记忆效应；FNN与CNN未能较好地表征该记忆效应，故预测结果与实测值仅趋势相近，预测误差相对较大；GRU与LSTM的预测效果总体较好，GRU在雷暴风风速较大时的预测效果最优；LSTM在高风速下的预测效果略低于GRU,但在风速较低时的抖振预测精度最高，即具有更强的泛化能力。研究结果可为雷暴风易发区大跨度桥梁的安全运维提供借鉴与参考。     

大跨度斜拉桥施工阶段的抖振控制措施研究

斜拉桥是一种大跨柔性结构,一般采用悬臂拼装施工的方法,紊流风会诱发桥梁结构抖振响应。在施工阶段的最大双悬臂状态下,结构的刚度和阻尼都较小,对风的作用更为敏感,因而施工阶段由紊流风引发的抖振响应要比成桥阶段大得多,过大的抖振势必对施工和结构安全造成影响,过大的抖振响应可能损害施工机械以及施工人员,同时钢结构桥梁也可能导致局部疲劳。本文采用调谐质量阻尼器的减振措施来对桥梁进行减振分析,以单自由度简谐激励荷载作用作为研究对象,研究了质量比、频率比以及TMD阻尼比对桥梁—TMD系统的动力放大系数DAF的影响,从而将优化后的参数应用到实际桥梁中,来观察其减振效果。     

九堡大桥桥址台风“海葵”近地风特性实测研究

为给东南沿海地区桥梁结构抗台风设计提供依据,基于九堡大桥(钱江八桥)上安装的桥梁健康监测系统的风速风向监测子系统,对2012年台风"海葵"气候条件下风速风向数据进行了全程采集,根据实测数据对台风过程中的脉动参数(平均风速与风向、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风速功率谱)进行统计分析。分析结果表明:基本时距为10min时,纵向及横向脉动风速湍流度随时间的变化趋势基本一致,随平均风速的增大而减小;各向阵风因子随平均风速的增大而减小,横向与纵向阵风因子均值的比值为0.30,风速较小时,阵风因子减小速率较快,而风速较大时,减小趋势不明显;各向的湍流积分尺度均随平均风速的增大而增大;实测脉动风速谱与Von Karman谱基本符合。     

南广铁路西江大桥桥位处良态风特性实测研究

为给复杂地形下的桥梁抗风设计提供指导,以肇庆南广铁路西江大桥为工程背景,依托大桥风环境监测子系统,对桥位处风场进行了现场实测,并以该实测数据为分析样本,从平均风与脉动风两方面研究了其风场特性,同时针对大桥不同测点风速展开了空间相关性分析。实测结果表明:受地形影响,桥位处10min平均风速呈非高斯分布,湍流强度、阵风因子随高度增加呈增大趋势;湍流强度、积分尺度均大于规范推荐值,纵向脉动风功率谱在高频段与Kaimal谱吻合较好,而在低频段相差较大,跨中与拱顶实测相关系数与Davenport公式计算值均存在一定偏差;基于此类地形下的桥梁设计需考虑地形的影响。     

基于CFD的连续刚构桥主梁风荷载数值模拟研究

基于计算流体动力学(CFD),以某高墩大跨连续刚构桥的典型断面为背景进行数值模拟,引入无量纲的静力三分力系数概念,对比分析风攻角、梁高等参数对桥梁主梁截面气动力特性的影响,并结合可视化流场分析其作用机理。结果表明,CFD方法能直观分析钝体绕流特征及结构的气动力特性;箱梁断面升力系数受风攻角的影响较大,阻力系数受梁高的影响较大;梁高越大,主梁截面的三分力系数随风攻角变化的幅度越小,流场分布越复杂。     

湍流DSRFG与LES风场沿计算域流向变化的影响因素

为生成满足桥梁风工程大涡模拟（LES）要求的入口湍流风场,以丹麦大带桥桥址风特性为例,采用离散再合成的随机流动生成（DSRFG）方法合成了满足目标湍流度、积分尺度、脉动风速谱及空间相关性等参数的各向异性湍流;讨论了DSRFG方法在生成湍流风场上关键参数的合理取值;基于Fluent平台,通过自主开发的用户自定义函数（UDF）程序将生成的湍流风场赋给大涡模拟的入口边界,基于LES研究了不同网格尺寸和时间步长取值,入口湍流风场在计算域流向的变化规律。研究结果表明：DSRFG方法能生成满足桥梁LES模拟要求的指定湍流特性风场,产生的风场风谱和速度分量统计值与目标值吻合较好;入口湍流风场特性在计算域流向有较好的维持,脉动风谱在低频段与目标谱吻合较好,高频段出现一定衰减,而衰减起始频率随网格尺寸和时间步长的减小而增大。最后拟合了网格尺寸与脉动风谱衰减起始频率的关系曲线,建议了LES合适的网格尺寸和时间步大小,相关研究结果可为湍流风场模拟和桥梁风工程大涡模拟提供重要参考。     

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。     

赤石特大桥山区地形桥位风特性现场实测

针对湖南郴州赤石大桥桥位的风特性进行了现场实测,统计了观测器内大风天数与风向情况,对大风时段沿桥轴向各测点的风速、风向、风攻角及紊流度等风特性参数进行了分析。结果表明:观测期间桥位处存在瞬时突变风现象;受地形影响,风向以南北向为主,且大风时段风向为南风,风攻角变化较小;沿桥轴向个测点的平均风速、风向、风攻角变化基本一致。     

复杂格构式梁体三分力系数精细化计算分析

考虑索承桥梁中格构式梁体具有多种截面形式复合的特点，其抗风性能难以通过常用的二维数值仿真来分析，以东部沿海一座格构式拱桥为研究背景，考虑格构式系梁的结构特点和栏杆等附属设施的影响，建立三维数值仿真模型，对格构式系梁的静力三分力系数进行精细化分析。基于不同计算区域的模拟精度需求，采用不同方法进行混合网格划分；针对复杂格构式系梁的流场特征，优化选取流场尺度规模、边界条件和湍流模型等计算参数分析获得大范围风攻角下的三分力系数；将所得结果与风洞试验结果进行对比分析，并探讨栏杆等附属设施对三分力系数的影响以及数值模拟误差与风涡特性的相关性。结果表明：在小风攻角范围（±4°）内，有栏杆的三维数值模拟具有较高的精度；栏杆等附属设施对格构式梁体的抗风性能有一定影响，考虑栏杆等附属设施的精细化数值模拟比不考虑栏杆的计算误差平均降低20%，且增加了梁体所受的静风荷载，在实际工程中应当对栏杆等附属设施予以重视；不同风攻角下的风涡特性与数值仿真的误差存在相关性，随着风攻角的增大梁侧的风涡效应明显，这使得三维数值仿真的误差开始增大，尤其是在正大风攻角的情况下模拟精度下降严重。     

山区高墩大跨桥梁静力三分力系数参数影响研究

以某山区高墩大跨桥梁为工程背景,采用专业CFD软件Fluent对其主梁不同截面、不同风工况下的风场特征进行了数值仿真分析,分析梁高、风攻角、桥梁横坡等参数对桥梁主梁截面静力三分力系数的影响,对各参数的影响规律进行总结。利用Fluent软件后处理图形显示功能,分析了典型工况下箱梁截面周围的气动流场特征。分析结果表明:梁高、风攻角、截面横坡均为主梁截面三分力系数的影响因素,高墩大跨桥梁主梁为钝体结构,梁高越高,在风场中的钝性特征越明显。     

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。     

开孔开槽交通标志板风荷载风洞试验

为了研究局部开孔或开槽等措施对减小交通标志板风荷载的影响效果,设计了可以实现多种开孔开槽方式的标志板试验模型。通过刚性模型测压风洞试验,得到16种不同开孔、开槽方式下的非均匀开孔板表面风压数据,获得不同工况下板表面的平均风压分布特性,分析单排孔位置、单列孔位置、多排多列孔位置及单槽双槽等因素对交通标志板表面平均风压分布、阻力系数和扭矩系数的影响规律,进一步分析各工况下板平均阻力系数随孔隙率的变化规律,以及扭矩系数随风向角的变化规律。研究结果表明:风向角为0°～45°时,板的阻力系数变化很小,风向角为45°～90°时,板的阻力系数呈线性减小;0°风向角下,开孔或开槽板迎风面风压系数基本不变,背风面孔或槽附近平均风压系数幅值增大;当孔隙率小于5%时,板阻力系数对孔隙率、孔位置和开槽数量均不敏感,标志板风荷载减少的主要原因在于受风净面积的减少;孔隙率较大时,减小板阻力系数的效果相对明显;给出了非均匀开孔情况下,板阻力系数与孔隙率的建议公式;板在45°斜风向下产生最大扭矩系数,开孔或开槽都能够显著减小斜风向下绕板竖向中心轴和边缘竖轴的平均扭矩系数,其中45°风向角时影响更为显著;孔隙率较大时,扭矩系数减小效应更为显著。     

开孔开槽交通标志板风荷载风洞试验（双语出版）

为了研究局部开孔或开槽等措施对减小交通标志板风荷载的影响效果,设计了可以实现多种开孔开槽方式的标志板试验模型。通过刚性模型测压风洞试验,得到16种不同开孔、开槽方式下的非均匀开孔板表面风压数据,获得不同工况下板表面的平均风压分布特性,分析单排孔位置、单列孔位置、多排多列孔位置及单槽双槽等因素对交通标志板表面平均风压分布、阻力系数和扭矩系数的影响规律,进一步分析各工况下板平均阻力系数随孔隙率的变化规律,以及扭矩系数随风向角的变化规律。研究结果表明：风向角为0°~45°时,板的阻力系数变化很小,风向角为45°~90°时,板的阻力系数呈线性减小;0°风向角下,开孔或开槽板迎风面风压系数基本不变,背风面孔或槽附近平均风压系数幅值增大;当孔隙率小于5%时,板阻力系数对孔隙率、孔位置和开槽数量均不敏感,标志板风荷载减少的主要原因在于受风净面积的减少;孔隙率较大时,减小板阻力系数的效果相对明显;给出了非均匀开孔情况下,板阻力系数与孔隙率的建议公式;板在45°斜风向下产生最大扭矩系数,开孔或开槽都能够显著减小斜风向下绕板竖向中心轴和边缘竖轴的平均扭矩系数,其中45°风向角时影响更为显著;孔隙率较大时,扭矩系数减小效应更为显著。