不同攻角下扁平箱梁颤振机理

静风效应产生的附加风攻角对大跨度桥梁的颤振性能有着重要的影响,因此研究不同风攻角下主梁的颤振机理有重要意义.以扁平箱梁为研究对象,基于不同攻角下的颤振导数,采用双模态耦合解法掌握了颤振性能,继而通过分析气动阻尼、相位差和气动力幅值的变化研究了颤振机理.研究结果表明:在0°和3°攻角下,非耦合气动力为扁平箱梁断面提供了较大的正阻尼,颤振临界风速较高;在5°攻角下,非耦合气动力产生的正阻尼显著减小,使得耦合气动力产生的负阻尼迅速增加,导致颤振临界风速显著降低;耦合运动相位角增大是大攻角下气动负阻尼增加的主要原因,耦合气动力振幅则对颤振风速没有影响;此颤振机理表明大攻角下扁平箱梁颤振性能的弱化是由耦合效应增大引起,而非扭转运动产生的气动负阻尼引起.      

基于集成式神经网络的扁平箱梁颤振导数预测

扁平箱梁因具有较优的颤振性能,已被应用于绝大多数大跨径桥梁. 为便于桥梁设计者在大跨度桥梁初步设计阶段快速评估扁平箱梁的颤振性能,提出了一种基于集成学习的深度神经网络模型,用于快速预测扁平箱梁颤振导数. 首先采用强迫振动风洞试验获取了15种典型扁平箱梁的颤振导数,结合自由振动风洞试验和二维颤振计算验证了颤振导数的准确性;基于风洞试验数据,构建了大小为525的颤振导数数据集,以此数据集为基础,对所提出的集成式深度神经网络开展了模型训练和性能测试. 计算结果表明:所提出的集成式深度神经网络模型仅依靠扁平箱梁的气动外形特征即可准确且快速地预测不同折算风速下的8个颤振导数,且仅利用本文60%的数据集进行训练即可获取较高精度的预测结果;对比传统的多项式回归模型和单一人工神经网络模型,本文所提出的集成式深度神经网络模型预测精度更高,可直接应用到桥梁初步设计阶段的气动选型和颤振计算中.      

大跨度悬索桥主梁抗风试验研究

悬索桥跨径越大,结构越轻柔,对风致振动越敏感,因此,研究悬索桥主梁抗风性能尤为重要。对某主跨1196m大跨度悬索桥,采用有限元建模计算分析了成桥状态的结构动力特性;通过静力节段模型试验,测试了成桥状态主梁的三分力系数,结果表明:该扁平加劲梁整体上具有较好的静风稳定性能;通过动力节段模型试验考察了成桥状态桥梁在风攻角为0°、±3°、±5°下的颤振稳定性能,风攻角为+3°和+5°时,颤振临界风速接近或低于颤振检验风速,其余风攻角下颤振稳定性能良好;通过优化人行栏杆构造、增大透风率对主梁断面进行优化,有效改善了主梁断面的气动性能。     

悬吊双层闭口箱梁桥面风振性能

以悬吊双层闭口箱梁桥面为研究对象,通过风洞试验,针对结构静力耦合与气动干扰对悬吊双层闭口箱梁桥面风振性能影响进行了研究;采用变分模态分解方法对试验监测信号进行模态分解,识别颤振模态;通过振动形态矢量图与相位图对颤振弯扭耦合程度及弯扭相位差进行分析;根据最小二乘法识别颤振导数,基于激励-反馈原理,由颤振导数识别颤振气动阻尼。研究结果表明:在结构静力耦合与气动干扰共同作用下,下层断面发生软颤振,其竖向、扭转振动参与度系数分别为0.85、0.53,其颤振形态倾向于竖向振动;下层断面在自激气动力作用下发生颤振,自激气动力相位差减小导致颤振弯扭相位差减小为81.29°,而上层断面在结构耦合力作用下发生强迫振动,结构耦合力相位差决定上层断面弯扭相位差为100.81°;下层断面竖向振动气动阻尼主要来源于竖向速度自激升力负阻尼以及弯扭速度通过激励反馈所产生的耦合升力负阻尼,分别为60%和40%;下层断面转振动气动阻尼主要来源于扭转速度自激升力矩正阻尼以及弯扭速度通过激励反馈所产生的耦合升力矩正阻尼,分别为45%和50%。可见,对于悬吊双层闭口箱梁桥面,下层断面在竖向振动气动负阻尼驱动下发生偏于竖向振动形态软颤振,下层断面软颤振诱发悬吊双层桥面振动系统整体发生弯扭耦合软颤振。      

П型断面主梁软颤振特性及抑制措施研究

П型断面主梁为气动钝体结构,在非线性自激力作用下,极易发生软颤振现象.以某П型断面叠合梁斜拉桥为研究对象,通过节段模型风洞试验,研究了各种气动措施对П型断面主梁软颤振性能的影响.研究结果表明:П型断面主梁软颤振表现为弯扭自由度耦合的单频振动特征,且随着风速的增加,竖向振动参与度系数先减小后增大;安装风嘴可以增大系数,其振幅服从正态分布,振幅波动范围随风速及攻角变化而变化;风攻角为负时,П型断面主梁最易发生软颤振;设置桥面附属设施会提高软颤振的临界风速、减小软颤振的扭转振幅及振幅增长速率;设置风嘴会显著降低软颤振的振动响应,采用尖风嘴可以改善主梁的软颤振性能,且随着风嘴变尖,软颤振的临界风速有提高的趋势,软颤振扭转振幅有下降的趋势;П型断面主梁底部设置中央稳定板对其软颤振性能的影响不明显.     

山区桁架梁悬索桥颤振稳定性气动优化研究

为研究山区峡谷大跨度钢桁梁悬索桥的颤振稳定性及其气动性能优化措施,以某大跨度钢桁架梁悬索桥为工程背景,通过有限元计算分析及主梁节段模型风洞试验,研究其主梁颤振稳定性能.针对大桥颤振临界风速低于颤振检验风速,设计并试验对比了封闭桥面板中央开槽、中央上稳定板和中央下稳定板三种气动优化方案.试验结果表明,采用格栅板封闭桥面板中央开槽并设置中央下稳定板能有效提高大桥的颤振稳定性.     

大跨度双层桁架梁悬索桥颤振性能试验研究

为提高大跨度双层桁架梁悬索桥的颤振性能，以主跨为1 700 m的杨泗港长江大桥为工程背景，通过节段模型风洞试验，分别研究了上中央稳定板、下稳定板、水平翼板以及组合措施对主梁颤振性能的影响，并通过将有效气动措施与主梁原有构件相结合的方法来减小传统气动措施带来的不利影响，针对最优气动方案，研究了阻尼比对主梁颤振性能的影响. 研究结果表明:原主梁断面在0° 和 +3° 攻角下发生了没有明显发散点的单自由度扭转软颤振，颤振临界风速分别为50.5 m/s和31.2 m/s；安装于上层桥面的上中央稳定板、下层桥面的下稳定板以及与人行道底部齐平的水平翼板均能不同程度地提高主梁的颤振稳定性；当把水平翼板与下层桥面的下稳定板组合后，主梁的颤振临界风速增长率可高达34%，在此基础上提出了将上层托架和人行道板加宽、并将下稳定板和检修车轨道相结合的最优气动方案；当扭转阻尼比由0.37%增加至0.52%时，主梁的颤振临界风速可提高11.9%，说明阻尼器可能对发生单自由度扭转软颤振的桥梁起到良好的抑振效果.      

宽幅分体箱梁涡振性能及其抑振措施

为研究宽幅分体箱梁桥梁涡激振动特性及其相应振动抑制方法,以某主梁总宽度为64.1 m的分体箱梁大跨悬索桥为工程背景,在均匀流场下对1∶70缩尺比节段模型进行了风洞试验. 首先研究了主梁成桥态在0°、± 3°和± 5°五种不同来流攻角下的涡激振动特性;其次,考察了单一气动措施（包括设置水平气动翼板、封闭中央开槽、隔涡网以及检修车轨道导流板）,以及各种组合措施对主梁涡激振动的影响,检验了这些措施对主梁颤振性能的影响. 研究结果表明:宽幅分体式双箱梁在5个风攻角下均发生了竖向自由度涡激共振,其中最不利攻角为–3°,竖向振幅最大值为0.69 m,超过《公路桥梁抗风设计规范》限值的70%;设置隔涡网和采用组合气动措施后,较原始主梁,涡振振幅下降50.7%～98.6%;尽管抑振措施使主梁颤振临界风速降低6%～15%,但仍满足抗风设计要求.      

桥梁风振试验颤振导数识别的Ibrahim时域优化研究

基于R.H.Scanlan提出的自由振动法求解桥梁颤振导数实验量很大,且在提取交叉导数的过程中,一方面要求模型的竖向运动和扭转运动在所有的风速下都具有相同的频率比和阻尼比是很难达到的,另一方面非耦合导数的识别误差将带到耦合导数中.文中基于Ibrahim时域的改进方法,应用变尺度优化算法进行提取桥梁断面的全部颤振导数,研究结果表明应用此方法来解决非线性参数辨识问题比最小二乘法好.     

桥梁颤振导数与广义颤振导数对比分析

从振幅和风速2种角度解释了桥梁自激气动力非线性的起因;提出了.广义颤振导数"概念,对其物理意义进行了解释;绘制了平板和苏通大桥主梁节段模型的广义颤振导数曲线,对比分析了各种广义颤振导数的特点,验证了广义颤振导数的优点.分析结果表明,相对传统颤振导数,广义颤振导数物理意义更为明确;根据以物理风速为横坐标的广义颤振导数曲线更易于理解桥梁自激气动力的非线性特点.     

Complex Mode Frequency Iteration Method for Flutter Analysis of 2-DOF Systems

For a vibration system with 2-DOF of bend and torsion, itscritical flutter wind speed can be calculated by using complex mode frequency iteration (CMFI) method based on MatLab 5.2, the results of which are in agree with those acquired by wind tunnel test. Not only critical flutter wind speed, but also vibration characteristic of a system under different wind speeds can be determined. CMFI method is suitable for both of separated-flow torsional flutter and classic coupling flutter analysis, which is presented by flutter analysis of an ideal thin plate and a bluff bridge deck. Furthermore, it is proved through the investigation of the relationship between flutter derivatives and its critical flutter wind speed that coupling aerodynamic derivatives are necessary for classic coupling flutter to occur.     

自激气动力有理函数系数的直接识别算法

有理函数系数识别是基于气动力有理函数逼近的桥梁颤振计算的前提条件. 有理函数滞后项的数量对其系数的识别结果影响较大，现有方法中一般仅考虑单滞后项的有理函数系数识别，易造成气动力描述上的失真，进而导致桥梁颤振计算结果不准确. 基于正弦信号的自激气动力在时域上与有理函数对等的原则，采用最小二乘拟合方法，提出了一种可计入多个滞后项的有理函数系数的直接识别算法. 以薄平板模型为对象，利用强迫振动风洞试验获得了自激气动力，采用该算法直接识别了计入不同滞后项的有理函数系数，并分析了滞后项数量对气动力重构精度影响以及对颤振临界风速计算精度的影响.通过自由振动颤振试验获得了实际的颤振风速，进而与采用识别出的有理函数计算的颤振风速进行对比，结果表明:颤振临界风速的试验值与计算值吻合较好，从而验证了本文所提识别算法的准确性；与现有的有理函数系数识别方法相比，本文提出的识别方法兼顾了效率和精度，可广泛用于实际桥梁断面自激气动力有理函数系数的识别中.      

孤立波浪边界干扰下流线型箱梁气动特性

近海流线型箱梁主梁距水面较低时,气动特性极易受到极端波浪边界的干扰.为研究极端波浪边界干扰下流线型箱梁气动特性,以孤立波浪模拟极端波浪,基于FLUENT软件,采用铺层网格技术建立了模拟运动孤立波浪边界干扰下流线型箱梁气动特性的数值模型;利用所建立并验证的数值模型研究了不同参数下运动孤立波浪边界对流线型箱梁气动特性（静气动力系数、涡量场以及平均压力系数和脉动压力系数分布）的干扰.分析结果表明：不同孤立波浪边界运动速度干扰下流线型箱梁气动特性明显区别于无波浪工况;随波浪边界运动,迎风角处剪切层方向相比于梁底转折角处（8°风攻角）及梁顶转折角处（-8°风攻角）剪切层方向变化明显;在运动孤立波浪边界干扰下,箱梁抖振响应会随风攻角幅值增大呈增大趋势.     

中央开槽宽度对箱梁涡振特性的影响机理

设置中央开槽的箱梁通常具有良好的颤振稳定性,但该类箱梁在大攻角来流作用下的涡振性能尚不明确. 采用数值模拟方法,针对某大跨度桥梁的流线型箱梁断面,分析了5种不同中央开槽宽度箱梁的流场特性和涡振稳定性能,探究了大攻角下中央开槽宽度变化对箱梁涡振性能的影响规律,并根据静态和动态流场的变化,系统讨论了相应的气动机理. 研究结果表明:在?10°～10° 风攻角范围内,封闭箱梁的阻力系数始终最小,而其升力系数绝对值则普遍大于开槽箱梁;中央开槽宽度（L）对箱梁涡振性能影响显著,箱梁涡振振幅随着开槽宽度的增大而减小,L/B（B为箱梁宽度）由0变化至0.20,涡振振幅变化幅度达到40.9%;开槽宽度的变化会影响箱梁上表面大旋涡的运动以及箱梁中央区域来流分离程度,进而改变箱梁的涡振振幅.      

半开口和分离边箱开口断面主梁竖向涡振性能对比

为深入研究不同截面形式开口断面主梁的涡振性能及其发生机理，针对半开口和分离边箱开口断面2种主梁，进行了1∶50节段模型风洞试验，考虑等效质量、风攻角和阻尼比等因素的影响，计算了2种主梁断面的斯托罗哈数；基于线性和非线性理论，估算了实桥竖向涡振振幅；建立了二维数值模拟分析模型，验证了数值模拟方法的准确性，并对比了2种主梁断面周围的瞬时涡量和平均流线结构。分析结果表明:2种主梁在风攻角为3°和5°时均发生竖向涡振，且出现2个涡振区，第2个涡振区主梁竖向涡振最大振幅明显大，5°风攻角时2种主梁竖向涡振振幅比3°风攻角时大75%；风攻角为5°，阻尼比为0.8%时，分离边箱开口断面主梁竖向涡振最大振幅比开口断面大28%；随着Scruton数的增大，主梁竖向涡振的最大振幅接近线性减小，相同Scruton数工况下，5°风攻角时分离边箱开口断面主梁竖向涡振振幅最大，3°风攻角时半开口断面主梁振幅最小，说明正风攻角越大，主梁断面越钝，其涡振性能越差；5°风攻角时分离开口断面更钝，引起气流更大的分离，来流风在2种主梁断面的桥面上方和主梁开口处均形成漩涡，由于斜腹板和风嘴作用，主梁开口处尺寸较大的漩涡被打碎为几个尺寸接近的较小漩涡，优化了主梁的涡振性能。