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。     

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。     

扁平钢箱梁颤振气动措施试验研究

为了研究不同颤振气动措施对扁平钢箱梁的颤振稳定性的影响,通过一大跨悬索桥扁平钢箱梁节段模型风洞试验,分别研究了设置上中央稳定板、封隔不同位置护栏、改变检修道护栏透风率3种措施对主梁颤振临界风速的影响,并利用静三分力与颤振导数的关系对颤振控制特性进行了研究。结果表明:单独设置合适高度的上中央稳定板可以有效提高断面的颤振临界风速;单独对检修道护栏进行一定的封隔(非全封),即适当降低一定的透风率对于提高颤振临界风速是有利的,但受风攻角影响;单独封隔检修道时,0°攻角下主梁断面颤振临界风速随透风率的增加近乎线性降低,而+3°攻角下颤振临界风速随着透风率的增加呈现"先增加后降低"的变化趋势;不受上中央稳定板高度影响,检修道护栏透风率对颤振临界风速的影响存在一个"过渡区间",即50%～75%透风率区间内,颤振临界风速随透风率的变化很小,而此区间外的更高或更低的透风率的改变都会对颤振临界风速产生显著地影响;在设置上中央稳定板的基础上,全封不同位置的护栏对于颤振临界风速的影响各不相同,在全封最外侧检修道护栏时颤振临界风速提高了约13.3%,而在全封外侧防撞护栏时却降低了约18%。在各风攻角下,上中央稳定板间隔设置时的主梁颤振临界风速要普遍低于通长设置时。     

数值模拟桥梁断面气动导数和颤振临界风速

从描述流体绕运动的刚性断面流动的N S方程出发,首先采用时间二阶Projection 2算法对控制方程作分裂步处理,得到的求解方程空间离散采用有限体积法,物面运动方式为自由度解耦的强迫振动,采用计算网格和刚性截面刚性连接、同步运动的动网格技术,数值模拟了振动的大带东桥绕流场,由计算的气动力按最小二乘法提取气动导数,最后计算了大带东桥的颤振临界风速。计算的大带东桥气动导数与风洞试验有很好的一致性,大带东桥颤振临界风速模拟值与风洞试验结果偏差很小,证明了本文数值方法的正确性和工程适用性。     

桥下净空对大跨度桥梁颤振稳定性的影响研究

为研究桥下净空对桥梁颤振稳定性的影响,基于CFD数值仿真技术,识别了在多种桥下净空工况下大带东桥的颤振导数和颤振临界风速。研究表明:每个工况下的气动导数曲线趋势与试验结果基本吻合,没有随着桥下净空的改变而出现大的波动,边界对耦合气动负阻尼和扭转自身正阻尼影响有限;在桥梁抗风设计和抗风试验值中,可不考虑桥下净空振稳定性的影响。     

附属设施对桥梁颤振临界风速的影响

该文旨在研究桥梁栏杆和行人观光通道两类附属设施对颤振临界风速的影响.首先介绍了颤振分析的方法;然后基于强迫振动法识别的颤振导数,分析了两类附属设施对颤振导数的影响作用;最后通过二维颤振分析研究了两类附属设施对典型桥梁颤振临界风速和颤振能量分配比例的影响.结果 表明:钝体边主梁断面斜拉桥增加桥面不透风混凝土防撞护栏后颤振...     

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。     

三线合一钢箱桁悬索桥颤振性能风洞试验研究

某三线合一(1条高速公路线、1条城市主干道线及1条双线铁路线)公铁两用悬索桥主桥跨径为(52+800+800+52)m,加劲梁采用钢箱-桁架组合形式,其断面形式新颖,为研究该桥颤振稳定性能,确保桥梁的抗风安全,对主桁架梁节段进行1∶46.3的缩尺模型风洞试验,并探讨了风嘴以及栏杆位置、高度、透风率等各种气动措施对颤振临界风速的影响。结果表明:该桥在-3°攻角下,颤振临界风速小于相应的颤振检验风速,存在发生颤振的可能性;增设风嘴能提高负攻角下的颤振临界风速,但正攻角下颤振临界风速会有所降低;合理地改变上、下游栏杆位置、高度、透风率等组合措施,能使桥梁在各攻角情况下的颤振临界风速满足要求。     

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。     

流线箱梁弯扭耦合气动力非线性特性与颤振行为预测

传统大跨度桥梁空气动力学颤振分析忽略了结构和气动力非线性,多用于预测颤振临界风速而难于对颤振后行为进行合理分析。为此,通过强迫振动试验对气动力叠加性进行详细考证,阐明其适用范围。在传统复模态特征值分析中引入了随幅值变化的结构阻尼比和颤振导数,实现了颤振后状态结构振幅的预测分析,并与风洞试验结果进行了对比验证。结果表明：试验范围(竖向振幅A_h/B≤1.0,扭转振幅A_α≤12°)内,流线箱梁断面弯扭耦合气动力近似满足叠加性;节段模型风洞试验中结构阻尼和气动力的幅值依赖性是系统非线性的主要表现形式,在复模态特征值分析中引入幅变的颤振导数和结构阻尼比可以较好地预测滞回颤振振幅随风速的变化关系。     

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。     

双幅桥面桥梁主梁气动干扰效应研究

基于2座国内在建的双幅桥面桥梁进行节段模型风洞试验,研究双幅桥面之间的气动干扰效应及其对桥梁颤振稳定性、涡激振动特性和静气动力特性的影响,单、双幅桥面风洞试验结果的差异表明两桥面之间存在不可忽略的气动相互干扰,并可能对桥梁振动产生不利影响。     

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。     

扁平箱梁断面弯扭耦合软颤振非线性特性研究

针对大跨度桥梁软颤振非线性特性，采用弹簧悬挂节段模型风洞试验法，研究了典型扁平箱梁断面（宽高比10.7：1）在均匀流场下的软颤振响应，并采用一种新型的高精度测力技术——内置天平同步测力测振法测量了非线性颤振自激力时程，该测力技术可大幅降低天平信号中的惯性力成分，提高自激力的测量精度。试验结果表明：扁平流线型箱梁断面在风攻角5°、±3°和0°时均出现了软颤振响应，观测到的软颤振现象表现为自限幅的极限环振荡，振幅随着风速的增加而增大，随着风攻角的增大，软颤振起振风速降低，振幅增加的斜率变缓；软颤振振动出现在扭转模态，竖向和扭转位移均存在一定的高次谐波成分，但与基频相比较为微弱，可以忽略；扁平箱梁断面的软颤振具有显著的弯扭自由度耦合特性，弯扭耦合程度随风速增加而增大，在软颤振振幅发展过程中，节段模型仍然以线性扭转复模态的形式振动，扭转复模态向量的幅值变化较为明显（约15%），需要考虑其随振幅的缓变特性，相位特性变化非常微弱（相位差变化小于3%），可以忽略。基于内置天平同步测力测振技术，测量得到的非线性自激力信号能够较为精确地计算软颤振振动位移时程，具有较高的精度，自激升力和自激扭矩均在大振幅下表现出显著的高次谐波成分。     

窄悬索桥气动稳定性的风洞试验研究

对于处于西部山区复杂风环境中的窄悬索桥,为了确保其气动稳定性及研究提高气动稳定性的措施,制作了弹簧悬挂模型在长安大学CA-1风洞实验室中进行风洞试验.试验结果表明,该桥气动不稳定,必须改变原始设计以提高结构刚度、确保结构安全.考虑到桥梁使用功能和构造的限制,对原桥采取增加抗风缆和中央扣等措施,并对增加了措施的模型重新进...     

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。     

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。     

不确定气动干扰效应影响下并列大跨度桥梁颤振导数识别方法

将处于自然风中一前一后并列布置的大跨度桥梁相互之间可能存在的不确定相互气动干扰处理成随机气动干扰,并归入到紊流风随机激励中,采用基于模态参数识别的随机子空间识别方法,开发了桥梁断面颤振导数识别的专用程序,并以具有理论解的Theodorsen平板为例,通过系统响应数值仿真和颤振导数识别,验证了该方法的可靠性。针对实际大跨度桥梁,设计了并列节段模型试验悬挂系统,开展了紊流风和随机气动干扰效应下的并列大跨度桥梁节段模型风洞试验,将迎风、背风侧桥梁断面的颤振导数结果与均匀流、紊流风中单个桥梁断面颤振导数值进行了对比。结果表明:背风侧桥梁对迎风侧桥梁的颤振导数影响很小,而迎风侧桥梁对背风侧桥梁的颤振导数有较大影响;该研究方法为存在这种随机气动干扰的并列大跨度桥梁颤振导数识别提供了一个较为合理的途径。     

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。     

扁平箱形桥梁断面静气动力系数雷诺数效应研究

在较大的雷诺数范围内测量了不同宽高比箱形桥梁断面的三分力系数,研究了三分力系数雷诺数效应以及宽高比对断面三分力系数雷诺数效应的影响。流线型桥梁断面的阻力系数、升力系数都有明显的雷诺数效应。宽高比对断面的三分力系数雷诺数效应有明显的影响。低雷诺数风洞试验得到的三分力系数用于实桥分析时偏于保守。