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。     

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。     

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。     

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。     

港珠澳大桥青州航道桥抗风性能研究

为了检验港珠澳大桥青州航道桥的风致稳定性,对其抗风性能进行研究。采用主梁节段模型风洞试验研究主梁的涡振性能和颤振性能,采用桥塔气弹模型风洞试验研究桥塔自立状态的驰振性能和涡振性能,采用ANSYS软件进行全桥有限元分析研究该桥的静风稳定性。结果表明:港珠澳大桥青州航道桥主梁原始断面和增加风嘴断面涡振性能不满足规范要求,在人行道栏杆上方增设抑流板后涡振性能满足要求;主梁原始断面和增加风嘴断面满足颤振稳定性要求,增加抑流板断面在+5°风攻角下的颤振稳定性不满足要求;桥塔的驰振性能满足要求;均匀流场和紊流场下,桥塔仅在风偏角较小时出现扭转涡振;各初始风攻角下,该桥的静风稳定临界风速均远大于静风失稳检验风速,静风稳定性满足规范要求。     

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。     

三塔双跨叠合梁斜拉桥抗风性能研究

叠合梁断面为典型钝体截面,容易出现气动不稳定问题。为研究三塔叠合梁斜拉桥的抗风性能,以某三塔双跨叠合梁斜拉桥为例,通过有限元软件建立桥梁成桥状态和最大双悬臂施工状态有限元模型,计算分析其动力特性,再进行节段模型风洞试验研究桥梁在-5°、-3°、0°、+3°和+5°风攻角下的颤振稳定性和涡激振动性能。研究结果表明:该三塔双跨斜拉桥颤振临界风速大于颤振检验风速,具有良好的颤振稳定性;成桥状态出现了较为明显的涡激振动现象,在低风速区涡激振动幅值小于规范允许值;虽然在高风速区涡激振动幅值超过了规范允许值,但是出现概率很低,对桥梁安全和使用性能不会造成明显影响;施工状态涡激振动幅值远低于规范限制,涡振性能良好。     

峡谷底斜拉桥抗风性能改善试验研究

采用节段模型风洞试验的方法对某峡谷底斜拉桥---西藏迫龙沟斜拉桥的抗风性能进行了改善研究。首先,借助于地形风洞试验结果获得了桥位处风攻角和风偏角大小,并确定了大桥颤振检验风速和颤振试验的风攻角范围;然后,考察了大桥原方案的颤振稳定性并通过气动措施改善了原方案的颤振性能;最后检验了施加气动措施前后大桥涡激共振特性。研究结果表明：峡谷底大跨度桥梁的设计基准高度可参照桥面高度确定,但有必要进行地形试验确定桥位处风攻角和风偏角的实际情况;迫龙沟大桥颤振稳定性出现了＆#177;3＆#176;和0＆#176;风攻角下满足要求而5＆#176;风攻角下不满足要求的现象,因此峡谷底大跨度桥梁颤振稳定性检验只进行《规范》建议的风攻角试验可能存在安全隐患;颤振性能改善措施选取时,应考虑斜风的不利影响,确保大桥有足够的颤振稳定性安全储备。     

泰州长江公路大桥三塔悬索桥的颤振稳定性

为研究三塔悬索桥的动力特性及颤振稳定性,以泰州长江公路大桥主桥为背景,开展数值分析和风洞试验。采用有限元软件ANSYS建立该桥模型,分析中塔对结构振型的影响,分析结果表明:中塔的设置使影响结构颤振稳定性的关键模态的频率降低很多。对节段模型进行颤振稳定性风洞试验,试验结果表明:将检修车轨道移到采用尖角型风嘴的上斜板位置后,模型在+3°风攻角的颤振临界风速达到63.2 m/s。利用三维耦合颤振分析方法对该桥成桥状态+3°风攻角下桥梁结构的颤振稳定性进行分析,分析结果表明:结构颤振时第15阶振型占绝大部分能量,说明颤振主要以扭转形态为主。     

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。     

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。     

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。     

斜风作用下风-车-桥非线性分析系统建立

为了从风作用方向的三维模拟和系统非线性2个角度实现风-车-桥系统的全三维高真实度模拟,首先建立斜风荷载处理方法,采用平均风分解理论对桥梁斜风进行分解,形成桥梁斜风荷载,把桥梁风作用方向模拟域由垂直于桥梁纵轴线的二维平面扩展到三维空间;采用矢量合成法则和线性插值方法,依据车辆位置函数确定桥上车辆任意位置和时刻的合成风速,并基于风洞试验获取车辆气动力系数,形成车辆斜风荷载。然后基于已建立的非线性分析系统,融合斜风荷载处理方法,构建斜风作用下的风-车-桥全三维非线性分析系统,并实现动态可视化。最后采用建立的分析系统,对系列风偏角工况下的桥梁空间动力响应和车辆安全进行分析和评价。结果表明：斜风作用下,桥上车辆事故指标值及桥梁位移响应随着风偏角增大总体上均呈现先减小后增大趋势,且极值均出现在非90°的锐角区;基于风向垂直于桥跨方向的假定所进行的桥梁设计和车辆安全性评价结果偏于不安全。     

山区峡谷非均匀风场下大跨度斜拉桥静风稳定性分析

为研究山区峡谷地形下非均匀风场对大跨度桥梁静风稳定性的影响，以一座跨越典型山区峡谷地形的大跨度斜拉桥为工程背景，首先，采用计算流体动力学（CFD）软件Fluent对桥址区地形的风场特性进行分析，计算出沿主梁方向的非均匀风速和非均匀风攻角分布；然后，采用ANSYS APDL技术实现能考虑非均匀风速和非均匀风攻角下大桥静风稳定性的非线性分析方法。在此基础上，综合考察非均匀风攻角分布、非均匀风速分布、非均匀风速非均匀风攻角分布等风场条件对大桥静风稳定性的影响，分析各工况下主梁的静风变形与跨中处拉索刚度变化。研究结果表明：与均匀风场条件下的静风响应不同，非均匀风攻角或非均匀风速下主梁静风响应最大值点位于风荷载峰值点与跨中之间，在针对非均匀风场下大桥的静风稳定性分析时，应更注重静风响应最大值点而不是跨中处；非均匀风攻角下大桥的静风失稳临界风速要远低于均匀风攻角的静风失稳临界风速，且其静风稳定性能主要受最大风攻角而不是主跨部分非均匀风攻角的平均值来控制；非均匀风速下大桥的静风失稳临界风速主要由主跨部分的风速平均值和最大值共同影响；主梁的竖向位移和扭转角形状主要由风攻角因素来控制，而横向位移的变化规律相对较独立，其形状基本上以跨中线对称，且其值主要由风速因素来决定。     

钢桁梁桥上列车双车交会气动特性风洞试验

为探究横风作用下钢桁梁桥上列车双车交会过程中气动力系数的突变机理,以某一大跨度公铁两用钢桁梁桥为背景,首先根据XNJD-3风洞实验室的尺寸设计了一套移动车辆模型试验系统;然后根据风洞阻塞比的要求设计了几何缩尺比为1∶30的桥梁和车辆试验模型;最后测试了横风作用下桥上列车交会过程中移动车辆模型的气动力。为尽可能地降低试验系统对运动车辆气动力的干扰,对原始时程数据进行了低通滤波处理,并分析了车速、风速、合成风向角、车辆所在轨道位置等因素对车辆气动力系数的影响。试验结果表明：双车交会时,背风侧运动车辆的气动力系数具有明显的突变趋势,迎风侧运动车辆的气动力系数变化较为平稳;列车交会时突变区域主要受运动车辆引起的列车风速的影响,且随车速的增加而增大,横风风速对突变区域影响较小;交会过程中背风侧车辆升力系数和侧向力系数的突变量随合成风向角的增大呈增大趋势,力矩系数突变量对合成风向角的变化不敏感;横桥向列车所处轨道位置影响其气动力系数。试验结果可为研究横风作用下高速列车-桥上交会过程的行车安全提供数据支持。     

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。     

营口辽河公路大桥抗风性能研究

以营口辽河公路大桥为背景,研究斜拉桥在施工阶段及成桥状态的抗风性能。对斜拉桥在基本风速与设计基准风速及颤振检验风速的确定,气动参数计算,弯扭耦合颤振与分离流扭转颤振的颤振稳定性分析,成桥状态、最大单悬臂状态、最大双悬臂状态、桥塔施工状态的风荷载及风载响应4个方面进行研究。按平板近似公式估算,得出该桥桥位处的基本风速、桥面高度处的设计基准风速、成桥状态的颤振检验风速、施工阶段的颤振检验风速。用ANSYS大型结构分析程序进行分析和计算。该斜拉桥方案无论在成桥状态或施工最不利状态均满足颤振稳定性要求。给出了成桥状态、最大单悬臂状态、最大双悬臂状态以及主塔施工状态的桥塔风载内力及主梁风载位移。