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。     

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。     

半开口式分离双箱梁涡振机理试验研究

半开口式分离双箱梁流线形断面是大跨桥梁较为常见的一种断面形式;然而,既有研究结果表明:半开口式分离双箱梁容易发生涡激共振;尽管涡激共振不会导致桥梁直接损毁,但是由于其起振风速低,发生频繁,容易造成结构疲劳损伤,并严重影响车辆和行人的舒适性。因此,亟需对该种断面形式的涡激共振的激振机理开展深入研究,以便寻找合理的减振/抑振措施。该文以广东佛山同济大桥主桥为工程背景,开展半开口式分离双箱梁节段模型涡激共振风洞试验,采用扫描阀测压研究了模型表面风压分布规律;通过数值积分方法计算了模型三分力系数时程曲线;进一步对三分力系数进行频谱分析,发现当模型处于+3°攻角时,升力系数具有显著的周期性;当升力系数的卓越频率与结构频率接近时发生共振现象,从而导致开口式分离式双箱梁发生涡激共振。     

钢板组合梁斜拉桥主梁抗风设计研究及应对措施

结合樟树赣江二桥主桥400m主跨双塔斜拉桥,从设计师角度梳理了钢板组合梁斜拉桥主梁抗风设计的主要内容和工作流程,对该类型桥梁的抗风性能和抗风措施进行了说明,并利用规范方法对颤振和涡激共振相关参数进行计算。通过风洞试验,研究了原设计断面及设有气动措施断面的颤振和涡振性能,分析了裙板、水平导流板、风嘴、扰流板和下稳定板等单种或两种组合设置时的涡激共振减振效果,给出了扰流板和下稳定板联合使用的推荐方案。考虑到原设计断面在紊流场下抗风性能可满足规范要求,以及涡激共振发生风速比桥位处常遇风速高很多的特点,从合理性角度出发,设计中采取了预留抗风措施的对策。     

不对称钢箱梁涡激振动性能及制振措施研究

锦江人行天桥全长698 m,主桥部分上部结构为桅杆式斜拉桥,下部结构采用V形钢桥墩,主梁断面为左右不对称钢箱梁。为研究不对称钢箱梁断面的涡激振动特性,同时消除可能存在的涡激振动对主桥运营安全的影响,对主梁断面开展了1∶20节段模型风洞测振试验,针对主梁受气动干扰敏感和可调节气动外形的区域进行涡激振动气动措施研究。试验结果表明：不对称钢箱梁在前后两侧来流工况下,主梁均出现了涡激振动现象,但各工况下的涡振现象和风速锁定区间不同;对比了去除主梁栏杆和对栏杆间隔封闭的气动措施,采用对栏杆隔三封一能够抑制主梁的涡激振动。本研究所提出的制振措施可为类似工程研究提供参考。     

中央开槽箱形断面斜拉桥的涡激振动试验与分析

为研究斜拉桥采用中央开槽箱形断面时抑制主梁涡激振动的气动措施,以港珠澳大桥江海直达船航道桥为背景,对其主梁节段模型进行涡激振动试验,并结合CFD方法分析对主梁采取3种不同气动措施(增设不同开孔率的底板、改变腹板角度和增设导流板)的有效性。分析结果表明:增设开孔底板可以有效地控制主梁涡激振动的发生,但存在一个最佳底板开孔率;改变腹板角度可以改善主梁涡激振动的性质,但是作为单独的涡激振动控制措施并不很理想;在主梁腹板两侧设置导流板是抑制主梁涡激振动的最有效措施。     

均匀流场串列双矩形断面涡激振动气动干扰试验

针对串列双矩形断面涡激振动气动干扰问题,在均匀流场下,分别对不同间距比D/B、不同阻尼比条件下上、下游矩形断面涡激振动气动干扰效应进行了风洞试验研究,并将上、下游矩形断面涡激振动锁定区间、涡激共振振幅与单矩形断面进行了对比。结果表明:串列双矩形断面竖向涡激振动锁定区间、上游矩形断面扭转涡激振动锁定区间不因上、下游矩形断面间距比及阻尼比的影响而改变,下游矩形断面扭转涡激振动锁定区间随上、下游矩形断面间距比的变化而略有变化;上、下游矩形断面净间距和阻尼比对上、下游矩形断面竖向涡激及扭转涡激共振振幅有影响;对于上游矩形断面竖向和扭转涡激振动,D/B=0.5时干扰效应达到最大,D/B≥4时气动干扰效应可以忽略;而对于下游矩形断面的竖向和扭转涡激振动,D/B=0.5时干扰效应达到最大,D/B≥7时仍存在气动干扰效应,且表现为抑制作用。     

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。     

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。     

云雾特大桥主桥抗风性能试验研究

针对云雾特大桥主桥抗风性能,采用三维有限元数值模拟和节段物理模型试验的方法,对其成桥态和施工态下的颤振、驰振和涡激共振稳定性进行研究,基于三维有限元数值模型计算该桥在成桥态和施工态下的关键振型及频率,依据数值计算结果和《规范》,进行了主桥节段试验。结果表明:各计算工况下,颤振临界风速均大于该斜拉桥颤振检验振动风速(47. 9 m/s);均匀流场作用下的成桥态扭转振动和竖向振动均发生了较大幅度的涡激共振,特别是在+3°风攻角下的竖向振幅(253 mm)超过了规范限值(156. 9 mm),但在紊流场风环境下不会发生涡激共振; 0°风攻角下,成桥态主梁断面的阻尼系数、升力系数和扭矩系数分别为1. 331、-0. 043、-0. 003,驰振力系数恒为正,驰振稳定性满足规范设计要求。     

重庆永川长江大桥涡激振动性能风洞试验研究

为研究在常遇风速下混合梁斜拉桥的涡激振动性能及抑振措施,以半飘浮体系七跨连续双塔混合梁斜拉桥——重庆永川长江大桥为背景,设计基于1∶50主梁节段模型风洞试验,测试在不同阻尼体系下检修车轨道、导流板对涡激振动性能的影响,并对主梁外挂排水管道的形状进行了优化,最后提出了可显著改善主梁涡激振动性能的抑振措施。研究结果表明:主梁在-3°、0°和+3°攻角下均发生了明显的涡激振动现象,+3°攻角下的振幅最大,且远大于规范的容许振幅;向梁底内侧移动检修车轨道,并在其内侧布置导流板可大幅降低主梁的涡激振动振幅;位于斜腹板的圆形排水管道会削弱主梁的气动性能,改用120cm×20cm的扁状排水管道可有效提高颤振临界风速并降低涡激振动振幅。     

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。     

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。     

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。     

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。     

泸州黄舣长江大桥主梁涡激振动特性及制振措施研究

以泸州黄舣长江大桥为工程背景,研究了流线型钢箱梁的涡激振动特性和有效的制振措施。基于1∶20大尺度节段模型风洞试验,测试在不同阻尼体系下主梁涡激振动性能,获得详细的发振风速和锁定区间的涡振振幅,发现检修车轨道对涡振的不利影响,通过设置梁底内侧导流板屏蔽了检修车轨道,抑制了涡激振动,满足规范要求。研究成果为流线型钢箱梁抗风设计的涡激振动制振措施提供参考。     

串列双流线型断面涡激振动气动干扰试验

在均匀流场下,分别对不同间距比D/B、不同阻尼比条件下上、下游流线型断面涡激振动气动干扰进行了风洞试验研究,并将上、下游流线型断面涡激振动锁定区间、涡激振动振幅与单流线型断面进行了对比。结果表明:上、下游流线型断面涡激振动锁定区间不因D/B及阻尼比的影响而改变,上、下游流线型断面D/B和阻尼比对其涡激振动振幅有影响;上游断面涡激振动气动干扰效应主要受D/B的影响,当D/B≤3时,对上游断面涡激振动的干扰效应表现为增大效应;当D/B>3时,对上游断面涡激振动的干扰效应可忽略;下游断面涡激振动气动干扰效应主要受上游断面涡激振动振幅影响,当上游断面振幅较大时,其对下游断面干扰效应主要表现为抑制作用;当上游断面振幅较小时,其对下游断面干扰效应则表现为增大效应;随着双幅断面间距增加,干扰效应逐渐减弱。     

南溪长江大桥主梁涡振性能优化风洞试验研究

南溪长江大桥主跨为820m,高速公路与人行道并存,桥面栏杆较多,且栏杆上设置了防抛网,涡振性能较为复杂。通过1:45常规节段模型风洞试验研究了检修车轨道位置改变、桥面栏杆、分流板以及攻角和阻尼对主梁涡激振动性能的影响。试验结果表明,优化检修车轨道位置和在断面上设置分流板均能有效地抑制主梁涡振的发生。     

粉房湾长江大桥节段模型风洞试验

粉房湾长江大桥为双塔双索面半飘浮体系斜拉桥,为检验该桥在强风下的颤振稳定性及在常遇风速下的涡激振动性能,对该桥动力特性进行计算并按照1∶45.8的几何缩尺比制作6个标准主梁节段模型进行风洞试验,针对试验结果提出在主梁风嘴边桁处设置导流板的制振措施.计算和试验结果表明,该桥结构刚度大、振动频率高,在检验风速范围内不会发生颤振失稳和静风失稳,满足抗风设计要求;通过在主梁风嘴边桁处设置导流板,能够实现对桥梁涡激共振的有效控制,使其满足规范要求.