扁平箱梁的颤振临界风速估算

提出一种估算扁平箱梁颤振临界风速的方法,分析了影响桥梁主梁断面颤振稳定性的参数,选定公式拟合数学的模型,利用诺模图和最小二乘原理初步拟合出计算公式,并用CFD数值模拟技术考虑扁平箱梁宽高比与斜腹板倾角对颤振临界风速的影响,并将宽高比对颤振临界风速的影响纳入计算公式,最后将计算公式应用于工程实例。结果表明计算误差在20%以下,为桥梁断面颤振稳定性方案比选和科研提供可靠的参考依据。     

斜风下扁平箱形截面桥梁颤振性能风洞试验研究

扁平箱形截面桥梁的颤振临界风速与风偏角的关系明显地受到风攻角的影响。在0°风攻角情况下,扁平箱形截面流线性好,其颤振性能与平板接近,颤振临界风速随风偏角的增加而增加,用传统的平均风分解方法可以获得较好的结果;而对于非0°风攻角的情况,扁平箱形截面的流线性变差,随着风偏角的增加其颤振临界风速呈起伏变化,最低值一般在斜风的情况下出现,此时,传统的平均风分解方法不再适用。     

流线型箱梁气动外形对桥梁颤振和涡振的影响

以某流线型钢箱梁断面为例,详细研究了主梁气动外形变化对桥梁颤振和涡振性能的影响.基于1∶50节段模型风洞试验,分别研究了箱梁的栏杆、检修车轨道、风嘴、导流板,以及斜腹板对桥梁颤振及涡振性能的影响.研究表明,栏杆和检修车轨道将弱化桥梁断面的气动性能,而风嘴和导流板则对桥梁的颤振和涡振性能有利.值得提出的是,在其他气动外形保持不变,而斜腹板倾角变为15°时,桥梁的颤振性能不仅获得了较大提升,且涡振现象还可得到消除.此现象的初步机理为:较小的斜腹板倾角可阻碍和廷后流线型箱梁下风侧漩涡的形成和脱落,从而显著削弱漩涡脱落对桥梁涡振和颤振的影响.详细的气动机理还有待深入研究.此点发现对于大跨度桥梁的抗风设计具有重大的参考价值和实际意义,并已经成功应用于国内多座大跨度桥梁的气动外形设计中.     

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。     

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。     

主梁断面形式对大跨斜拉桥风致稳定性的影响研究

为了解主梁气动外形对大跨度斜拉桥静风稳定性和颤振稳定性的影响,以某主跨2×1 500m的三塔双索面斜拉桥为背景,采用风洞试验和数值计算相结合的方法对比分离箱梁、桁架梁和闭口箱梁3种典型主梁断面形式下桥梁的静风稳定性和颤振稳定性。结果表明:分离箱梁断面的静风稳定性和颤振稳定性均优于闭口箱梁和桁架梁断面;对于分离箱梁和桁架梁断面,各风攻角下均先出现静风失稳,静风失稳控制抗风设计;对于闭口箱梁断面,+3°风攻角下首先出现颤振失稳,-3°和0°风攻角下首先出现静风失稳。     

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。     

H形吊杆大攻角下颤振稳定性研究

通过风洞试验,研究了不同腹板开孔率的H形吊杆风致失稳特性.节段模型试验发现,腹板不开孔吊杆在小攻角下可发生弯曲驰振;而腹板开孔的吊杆在20°攻角附近较低风速下可发生扭转颤振失稳,且发生扭转颤振失稳的风攻角区间受腹板开孔大小影响明显.气弹模型试验进一步验证了H形吊杆可发生扭转颤振失稳.     

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。     

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。     

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。     

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。     

大跨度悬索桥中央开槽箱梁断面的颤振性能

以建成后将成为世界最大跨径的钢箱梁悬索桥——西堠门大桥为例，通过节段模型风洞试验、CFD数值模拟和理论计算对中央开槽箱梁断面的颤振稳定性能进行研究，分析了开槽宽度和箱梁内外侧局部气动外形的改变对中央开槽箱梁断面颤振稳定性能的影响。研究结果表明：开槽宽度对中央开槽箱梁断面的颤振稳定性能影响显著；箱梁内外侧局部气动外形的改变也会对结构颤振性能产生一定的影响，而且影响规律更为复杂。     

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。     

空间曲塔大跨斜拉桥抗风性能研究

跨江大桥跨径较大,桥位风速较高,抗风问题至关重要。随着桥梁造型逐渐复杂,规范中一般公式无法适用其抗风计算,因此针对某主跨为238 m的跨江空间曲塔斜拉桥的抗风性能进行了研究。研究内容包括：利用虚拟风洞试验技术获取了主梁的静气动力系数、气动导数以及桥塔分段的模拟风荷载;利用三维颤振稳定性分析方法检验了主梁颤振性能;对主梁的涡激共振进行了数值模拟,得到了不同风攻角下的振幅-风速曲线;分析了结构静风荷载下的位移响应。结果表明,该桥主体结构的抗风性能均满足规范要求。     

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。     

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。     

整流罩组合措施外形对Π形叠合梁斜拉桥涡振性能的影响

某大跨度Π形钢-混叠合梁斜拉桥存在常遇风速下的涡激振动。为了抑制涡激振动,通过1∶50节段模型风洞试验,针对-5°最不利风攻角工况,开展了涡振性能优化研究。试验对导流板、裙板、下稳定板、风障与整流罩等单一气动措施的制振效果进行了研究,试验结果表明,只有下中央稳定板能在0.65%的阻尼比条件下,将主梁的竖弯与扭转涡振振幅同时降低50%以上。据此开展了以下中央稳定板为中心的组合气动措施研究,发现整流罩与下中央稳定板的组合气动措施能将主梁的竖弯与扭转涡振振幅同时降低75%以上。在此基础上,研究了整流罩竖直板高度与下中央稳定板高度对该组合气动措施制振能力的影响,发现在一定高度范围内,增加整流罩竖直板与下中央稳定板高度均能有效提高组合措施的制振能力,通过优化了该组合气动措施的气动外形,组合措施能够完全消除Π形叠合梁在不同风攻角(0.65%阻尼比)下的涡激振动。最后,采用计算流体动力学的方法,对该气动措施的制振机理进行了研究,计算结果表明：优化后的整流罩组合措施能够同时降低主梁上下表面旋涡脱落尺寸,显著减小主梁受到的周期性非定常气动力,从而达到抑制主梁涡振的效果;若同时降低整流罩竖直板高度与下中央...