扁平板式吊杆涡振性能及气动优化研究

为研究扁平板式吊杆风致涡激振动特性,采用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法建立涡振数值模型,并验证该方法和模型的可靠性。以高宽比1∶6的吊杆为研究对象,分析不同风向下吊杆风致涡振随风速的变化规律,研究涡振过程中旋涡的脱落规律,并提出增设扰流板和竖向开槽2种气动优化措施。结果表明:吊杆长边迎风涡振振幅最大值为35.2 mm。气流在吊杆的上下侧出现明显的来流分离和旋涡脱落,并在吊杆后方产生巨大空腔。设置三角扰流板的吊杆后涡振锁定区间大幅减小,各风速下涡振振幅均大幅降低,最大涡振振幅减小89.5%。开槽后的吊杆断面在各风速下振幅接近0,吊杆开槽能够有效抑制涡振的发生。     

钢桁拱桥吊杆涡激振动仿真分析

对流体力学计算软件FLUENT6.3进行二次开发,建立二维平面模型,将Newmark方法的代码嵌入用户自定义函数UDF,运用FLUENT动网格技术对南京大胜关长江大桥吊杆进行涡激振动仿真计算,研究切角长方形、圆角长方形2种截面吊杆的气动力性能.分析表明:截面几何形状的微小变化会引起结构气动力性能发生很大变化;吊杆截面从长方形变到切角长方形再变到圆角长方形,吊杆的涡脱落规模逐渐减小,升力逐渐减小;随着阻尼比的增加,结构涡激振动的最大振幅及锁定风速区间均减少;切角长方形截面吊杆仿真计算结果与风洞试验结果吻合较好;圆角长方形截面吊杆最大振幅及锁定风速区间明显小于切角长方形截面吊杆.     

山地城市钢桥杆件涡激振动数值模拟研究

以重庆朝天门大桥的典型杆件作为研究对象,将构件简化为弹簧-阻尼-质量二维系统,利用FLUENT软件建立数值风洞,对山地城市钢拱桥杆件风振机理进行研究。通过弱耦合的方法对杆件的涡激振动进行数值仿真模拟,全程应用四阶Runge-Kutta法求解,进行数据的传递。数值分析结果表明:0°风攻角下,风速为45 m/s时涡脱频率与结构的固有频率十分接近,位移最大值为65.54 mm,断面发生涡激共振,此时呈现周期性交替的涡街,且涡的大小和涡距较为均匀;风速为45 m/s时,随着风攻角的变化,最大位移及最大升力均有变化;随着阻尼比的递增,最大位移呈现递减趋势,增大结构的阻尼比在一定程度上能限制共振时的位移幅值。     

超长斜索三维气弹模型设计方法及其适应性研究

由于超长斜索三维气弹模型设计存在长度与直径几何缩尺比选择的困难,研究一种索结构三维气弹模型设计方法及其适应性.以某在建大跨径斜拉悬索协作体系桥梁边跨无吊索主缆为例,研究几何缩尺比对垂跨比、动力特性及涡振响应的影响规律.确定模型的合理几何缩尺比,设计并制作超长斜索三维气弹模型.研究结果表明:短模型的垂跨比随几何缩尺比的增大而增大,在几何缩尺比1:20时与原型结构接近;短模型的频率计算结果均高于长模型;几何缩尺比越大,涡振振幅越大.且模型越长,涡振振幅越小.按几何缩尺比1:20设计的短模型频率与模拟结果一致,且阻尼比较小,与原型结构接近.     

新建桥梁与邻近既有桥梁主梁涡振气动干扰效应风洞试验研究

新建甬州铁路桃夭门大桥为主跨666 m的分离式三箱梁斜拉桥,与既有桃夭门公路大桥并列布置且距离较近,两桥主梁间的气动干扰是大桥抗风设计中必须考虑的关键因素。基于节段模型风洞试验方法,研究新桥单独存在和新桥和既有桥梁同时存在时新桥和既有桥梁的涡振性能,分析分离式三箱梁新桥与单箱梁既有桥梁之间气动干扰效应对主梁涡振性能的影响。在新桥单独存在时,分离式三箱梁新桥产生了大幅涡振,在开槽处设置格栅板能显著降低涡振响应;此外采用CFD仿真结果显示,开槽处设置格栅板后漩涡脱落明显降低而抑制了涡振。气动干扰研究结果表明：在不同风向下,新桥和既有桥梁之间的气动干扰效应对主梁的涡振性能影响不同。新桥位于迎风侧时,新桥的涡振性能与新桥单独存在时基本一致,下游既有桥梁对其涡振性能影响很小;迎风侧新桥的存在减小了低风速下既有桥梁的涡振响应,对既有桥梁的涡振控制有利。既有桥梁在迎风侧时,背风侧新桥会增大迎风侧既有桥梁的涡振振幅,同时,受既有桥梁尾流影响,新桥的涡振性能也更为不利。提高新桥和既有桥梁的阻尼比,可以有效地抑制其涡振响应,以满足规范限值的要求。     

激振作用下坠落式危岩振动特性试验研究

根据坠落式危岩与基岩的接触模式,设计4个主结构面贯通率分别为25%,40%,55%和70%的坠落式危岩试验模型,采用不同大小及不同方向的激振力对基岩进行激振,研究激振作用下不同贯通率坠落式危岩振动特性。研究表明:同一激振方式下,主结构面的贯通率越大,危岩与基岩的接触稳固性越差,危岩与基岩的振动差异越大,危岩的振动响应更明显且振动的衰减越慢;随着贯通率的增大,危岩的卓越频率和阻尼比减小,危岩与基岩的RMS加速度振幅比增大;当主结构面贯通率从25%增大到70%时,危岩的卓越频率从375Hz减小到89Hz,减小了76.3%,危岩与基岩的RMS加速度振幅比从2.0增大到6.9,增大了2.45倍,阻尼比从0.081减小到0.049,减小了39.5%,贯通率对危岩的卓越频率和危岩与基岩的RMS加速度振幅比影响较大,对阻尼比的影响次之;在本试验激振力范围内,不同激振方式下,同一贯通率危岩的卓越频率、阻尼比以及危岩与基岩的RMS加速度振幅比的变化较小。     

跨长江特大桥拉索涡激振动与风特性观测

为研究跨长江特大桥拉索风致振动的类别与风特性的关系,基于大桥健康检测系统和自开发的拉索振动监测系统,对荆岳长江大桥桥址风场特性进行监测,记录拉索振动数据并对拉索风致振动加速度与风场的相关性进行研究。研究结果表明:桥址平均风速的非平稳特性显著;随着风速增大湍流度逐渐减小。在低风速下,来流湍流强度较大,拉索振动随风速增大而增大;当风速增大时湍流强度逐渐减小,拉索振动加速度将减小;拉索振动可为平面内振动也可为平面外振动,为多模态风致涡激振动,且JB02号拉索在一定风速条件下面内振动与面外振动基本相同,当风速变化,可出现更高阶的振动。拉索面内涡激振动分段时程分析表明,拉索振动幅值增加,主导模态频率不改变,各模态振动幅值增加,但随风速的增大,拉索的涡激振动可在更高风速下被锁定,从而导致拉索发生更高阶的涡激振动。另外,湍流度小于40%时拉索振幅较大,湍流度增大拉索涡激振动加速度反而减小,且拉索的涡激振动只在特定的风向角下发生。     

H型截面吊杆气动性能的风洞试验

通过节段的静力和弹簧悬挂动力试验,对H型吊杆的驰振和涡激振动性能进行分析。不做任何措施的H型吊杆在一定的风速下很容易发生驰振。腹板开孔的H型吊杆在横桥向来流时表现出涡激振动,开孔越大,涡激振动的振幅越小,方形孔比圆形孔要小,表明腹板开孔可以抑制该风向的涡激振动。在接近顺桥向来流的作用下,实腹和只在腹板开孔的吊杆在风速不高时表现为弛振。在翼板上加风嘴时,没有发现驰振,但横桥向来流时的涡激振动有较大增加。翼板上开孔能提高吊杆顺桥向来流的驰振临界风速,甚至杜绝该方向驰振的发生,且开孔越大效果越好。     

平行四幅连续钢箱梁桥风致振动气弹模型试验研究

为满足日益增长的交通需求,多幅大跨连续钢箱梁桥应用日益广泛,多幅主梁间复杂的气动干扰效应引起的风致振动及其减振是桥梁设计和运营必须解决的问题。以某主跨180 m平行4幅连续钢箱梁桥为工程背景,设计制作4幅连续梁桥气弹模型,开展全桥气弹模型风洞试验,研究2幅和4幅梁桥的气动干扰效应,分析桥幅数量、主梁间距、并列和错列布置等因素对桥梁风致振动特性的影响。风洞试验结果表明：多幅桥梁的风致振动特性与桥幅数量、主梁间距和主梁布置方式密切相关。单幅桥梁在试验风速内发生了极小振幅涡振、没有发生驰振。并列双幅桥在小间距工况(D=0.75 m,D/B=0.06)条件下,下游桥会发生明显的尾流致涡振,增大主梁间距至大间距工况(D=13 m,D/B=0.98)后,下游桥驰振临界风速减小到40 m/s,但涡振消失。并列4幅桥在小间距条件下,下游第3幅和第4幅桥梁在30 m/s风速左右发生尾流致涡振,在大间距条件下,下游第3幅和第4幅桥风致振动幅值随着风速增大而迅速增大,发生软驰振。错列布置的小间距4幅桥在试验风速范围内没有发生明显的涡振和驰振现象,抗风性能优于小间距并列布置4幅桥。研究成果可为类似桥梁设计提供...     

节段模型弹性悬挂系统的阻尼非线性对涡激力模型参数识别结果的影响

通过耗能相等的原理给出系统等效阻尼比的表达式,分析节段模型弹性悬挂系统固有阻尼比的振幅依赖性对涡激力参数识别的影响.以Scanlan非线性涡激力模型为例,通过求解弹性悬挂系统的非线性运动方程得到节段模型涡振振幅随时间的变化曲线,并进一步说明考虑阻尼比振幅依赖性下的涡激力参数识别方法.在考虑节段模型阻尼比随振幅线性变化的情况下分别识别一种具有Rayleigh形式的非线性涡激力模型参数和Scanlan非线性涡激力参数,并将两者的识别结果进行对比.最后说明节段模型阻尼比的测量误差对非线性涡激力识别结果的影响.研究结果表明:节段模型悬挂系统的涡振幅值同时受到气动参数和系统非线性阻尼比的影响,气动力参数可以通过测振试验来识别;Rayleigh型非线性涡激力模型与Scanlan非线性涡激力模型之间在涡振振幅稳定时存在明显的差异,但这种差异不会影响涡振位移响应预测;考虑结构固有阻尼比的振幅依赖性之后,阻尼比的识别误差对涡激力参数识别结果的影响会相应减小.     

高速铁路大跨度斜拉桥箱梁涡振响应及气动优化

无砟轨道高速铁路斜拉桥跨度较大，常采用箱形断面主梁，在桥梁建设和运营过程中涡激振动问题不可忽视。以阜淮高速铁路颍河斜拉桥为工程背景，对主梁断面绕流进行数值模拟以及流固耦合求解，研究主梁断面的气动力参数以及竖向涡振响应。针对可能出现的明显涡振进行气动优化，并分析涡振响应对列车行车稳定性的影响。结果表明：在0°、±3°和±5°五种攻角下主梁原始断面均出现了竖向涡振，最大竖向涡振振幅均较小；在+5°攻角下主梁原始断面出现明显的竖向涡振，在检修车轨道内侧加设导流板，可显著减小主梁断面的涡振响应；涡振时最大振幅对应列车行车安全性满足要求。     

分体式钢箱梁竖向涡振检修轨道气动措施风洞试验研究

双分体式钢箱梁具有良好的颤振性能,但在常遇风速内易发生涡激振动。为研究双分体式钢箱梁的涡激振动性能及其抑振措施,以某跨径为658 m的双分体式钢箱梁斜拉桥为背景,通过节段模型风洞试验,开展检修轨道与中央格栅等一系列独立气动措施以及多种联合气动措施对主梁涡振性能的优化研究。试验结果表明：1)在常遇风速下,原始断面在5个来流攻角(α=0°,±3°,±5°)中均观测到大幅竖向涡激振动,需采取抑振措施来抑制主梁涡激振动,结构阻尼提升至1.48%时涡振振幅仍未满足限值要求,完全消除主梁涡激振动需将阻尼比提升至2.3%;2)优化检修轨道位置能有限减小主梁竖向涡激振动,减少幅度在12.8%～29.6%之间;3)在分体式双箱梁中央开槽处添加中央格栅能大幅减小主梁竖向涡振振幅,相较原始断面减少了60%以上;4)检修轨道与中央格栅联合减振效果不如独立添加中央格栅气动措施,但这2种气动措施联合稳定板能有效控制主梁涡激振动,且相较原始断面,主梁涡振振幅下降了78%以上,在此基础上对中央开槽的封堵率以及检修轨道与外侧斜腹板之间的间距进行优化,最终得到一种双分体式钢箱梁断面涡激振动抑振措施,使主梁竖向涡振振幅减少...     

π型开口截面斜拉桥涡激振动的气动抑振措施试验研究

涡激振动是大跨度桥梁主梁在低风速下容易发生的一种风致振动现象,会影响行车安全性、舒适性和桥梁疲劳寿命,避免涡激振动的发生或抑制涡激振动振幅是桥梁抗风设计的热点问题。基于涡激振动对主梁气动外形敏感的特性,通过设计不同气动措施改善主梁的涡激振动性能,探究单个气动措施和多个气动措施组合的涡激振动抑制效果。以某π型开口截面斜拉桥工程为依托,对几何缩尺比为1∶37的刚性节段模型开展涡激振动研究,进行了风洞测振试验,并对下稳定板、检修车轨道位置和导流板等典型气动措施的抑振效果进行了测试。研究结果表明：主梁原设计断面存在明显的竖弯涡激振动现象,最大竖弯涡激振动振幅已超过规范限值;安装1道下稳定板可有效抑制竖弯涡激振动,安装多道下稳定板后,竖弯涡激振动振幅被限制,但同时会造成扭转涡激振动振幅增大,使用稳定板措施时应兼顾竖弯涡激振动和扭转涡激振动振幅的变化;检修车轨道的有无及位置变化对此截面的涡激振动性能影响较小,内移检修车轨道不能有效减小涡激振动振幅;在安装1道下稳定板的基础上增设导流板可进一步抑制涡激振动,安装下稳定板与导流板的组合措施可达到最优抑振效果。研究结果可为类似主梁断面涡激振动的气动控制措...     

三主桁式大跨度钢拱桥气动力特性与风振性能研究

以广东沿海强风区某在建中承式三主桁式大跨度钢拱桥为工程背景,通过风洞试验和理论分析,研究该桥梁施工状态和成桥状态风致响应特性。采用节段模型试验获得主梁、拱肋和拱脚的气动三分力以及主梁涡激振动特征,利用全桥气弹模型试验研究风致响应特征并与理论分析进行对比。研究结果表明:三主桁拱肋气动阻力大但是升力及扭矩小,不易发生静风失稳,拱脚气动力随风偏角变化显著;该桥主梁存在发生涡激共振的可能性,但振幅小于规范限值,且阻尼比达到1.0%时基本有效抑制了涡振;拱肋横风向抖振响应大,主梁竖向抖振响应大,施工状态拱肋最大位移达1.47 m,应合理选择施工期,避开台风期。     

类矩形双肢钝体涡致振动和气动抑振机理

针对具有类矩形双肢钝体断面拱肋的大跨度拱桥在风洞试验过程易出现大幅涡激振动问题,沿拱肋模型表面进行动态风压同步测量及基于POD算法的本征气动力荷载分布模式分解,获得了涡振发生时对于周期性涡激力具有最大贡献的气动力荷载作用位置,初步揭示出此类断面涡激动发生时的局部气动力荷载作用机制。以上海卢浦大桥和肇庆西江特大桥此类具有双肢钝体断面拱桥为工程实例,结合涡激气动力沿拱肋周向时空气分布特征,提出并以二维悬吊节段模型风洞试验验证了拱肋断面多种有针对性的气动控制措施;结合实际桥梁拱肋的三维空间效应,利用全桥气弹模型风洞试验再现了涡振发生效果的气动力特征、阻尼比效应、三维尺寸渐变效应和质量分布效应的综合影响,结果表明:对于类矩形钝体拱肋断面的上下悬板方案和全盖板方案能大幅度降低涡振振幅并使锁定风速区间向高风速段迁移,但实际涡振抑制效果仍需结合三维模型气弹试验最终判断。     

南京大胜关长江大桥钢吊杆两端连接涡振疲劳性能的仿真分析

建立了南京大胜关长江大桥主桥钢桁拱吊杆整体及两端连接节点局部的有限元模型,分别对H形和切角矩形两种截面吊杆在涡振作用下节点处构造细节的疲劳性能进行了仿真分析,研究了不同截面形式吊杆两端节点的疲劳性能。研究结果表明钢拱桥吊杆涡振时,其两端连接节点极易出现疲劳损伤甚至破坏,且一旦发生涡振,切角矩形截面吊杆端节点比H形截面吊杆端节点更易出现疲劳破坏。     

铁路大跨度钢桁梁加劲拱桥风致振动研究

桥梁风害是工程界非常关心的问题之一,桥梁应具有抵抗风力作用的能力。风对桥梁的作用不单纯是平均风的静力作用,特别对于大跨度桥梁,因其柔性较大,设计时还必须考虑涡振、弛振、颤振等空气动力效应。并且对于铁路这种极其重要的基础设施,风致振动会严重影响其安全性和平稳性。以广州铁路枢纽东北货车外绕线北太路大桥156 m大跨度简支钢桁梁加劲拱为例,基于ANSYS动力特性分析与CFD数值风洞模拟,对其工字型吊杆风致振动进行了细致的研究,揭示了风对铁路桥梁结构的作用机理和特点,为指导和优化桥梁结构设计提供了可靠的保障,也可为类似工程项目提供参考。     

400 km/h高速铁路典型路基段风致行车安全研究

以某设计速度400 km/h的高速铁路4种典型路基段结构为研究对象,采用风车路耦合动力分析方法,运用ANSYS和多体动力学软件SIMPACK分别建立路基和列车模型,分析CRH380动车组在环境风速20～40m/s区间工况,以速度400 km/h通过时车辆的动力响应。根据评价准则提出风致行车安全控制指标。结果表明：车体横向加速度反映列车横风稳定性,可以作为风致行车安全的控制指标;脱轨系数随着风速增大而增大,在风速不超过40 m/s条件下,均未达到上限值0.8;4#路基段可以承受的环境风速最大,风致行车安全的效果最好;背风侧的车辆响应指标均明显好于迎风侧,对于横风影响下的动力仿真分析,应将迎风侧作为主要研究对象。     

高阶模态涡振锁定区间气动力展向相关性研究

由于涡激力沿展向并不完全相关,在均匀流条件下基于宽高比为5:1的矩形截面多点弹性支撑气弹模型,开展风洞试验,对气弹模型在高阶模态振动状态下以及静止状态下的涡激力展向相关性进行研究。研究结果表明:气弹模型的各竖弯模态均出现了频率相同的2个涡振区间,第1涡振区间的表观St数为0.22,第2涡振区间的表观St数为0.11;高阶模态振动状态下,不同模态的第1个涡振锁定区间内升力展向相关系数最大值位于涡振幅值最大处,而第2个涡振锁定区间内升力展向相关系数最大为位于涡振锁定区间的上升段而非涡振幅值的最大处,且与节段模型的升力变化规律相似;静止状态下气弹模型的升力展向相关性系数随着风速(雷诺数)的增加而表现出升高的趋势,且随展向间距增加而逐渐趋于0。     

大跨人行悬索桥纵横主梁涡振性能研究

为掌握大跨人行悬索桥纵横主梁涡振性能,以国内拟建的一座宽跨比为0.028 4的人行悬索桥为工程背景,对其涡振响应特性及发生机理进行了研究。采用数值方法分析了该主梁涡振响应、流场涡脱演化、风压分布以及涡激振动贡献系数在-3°、0°和3°风攻角下的特性。结果表明,随着风攻角由正转负,主梁竖弯涡振性能变差,其风速锁定区间向低风速区偏移,最大竖弯涡振幅值增大,最不利扭转涡振出现在0°风攻角下。由于主梁下表面多个工字钢纵梁的阻挡作用,导致主梁下部气流旋涡运动状态复杂,其对涡振响应影响显著。脉动风压系数随风攻角的变化规律复杂,主梁上、下表面脉动风压系数极值分别出现在-3°和3°风攻角下。不同风攻角下,主梁上、下表面的涡激振动正贡献系数极值均出现在尾流端且作用范围较大,此为结构竖弯涡振响应的主要贡献区域。