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。     

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。     

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。     

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临界风速可降低约22%,而桁梁悬索桥下底面增设透风率为68%的行人观光通道后,颤振临界风速反而提高了约75%,不同附属设施对桥梁颤振特性的影响需要专门研究。     

某宽幅箱梁悬索桥气动特性节段模型风洞试验

大跨度桥梁由于其结构轻柔,容易出现静力失稳现象及各种形式的风致振动。通过对节段模型风洞静力三分力试验验证了某宽幅闭口箱梁悬索桥没有出现驰振的可能,并对全桥进行了几何非线性静风稳定分析,得到该桥的静风失稳临界风速。通过风洞弹性悬挂节段模型试验,得到了该桥的颤振临界风速。分析了阻尼比对于颤振临界风速的影响,试验结果表明阻尼比对于颤振临界风速影响不大。在风洞中观察到该桥成桥态在+3°、+5°攻角会出现扭转涡激振动,提高阻尼比可以有效降低涡振振幅。     

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。     

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。     

庙嘴长江大桥大江桥颤振稳定性分析研究

为了解大跨度钢-混凝土结合梁悬索桥的抗风性能,以庙嘴长江大桥大江桥(主跨838m的悬索桥,加劲梁为钢-混凝土结合梁)为背景进行颤振稳定性研究。对该桥进行1∶50的缩尺节段模型颤振稳定性试验,根据试验结果进行气动优化措施分析,采取了在加劲梁断面增加2道1/4下稳定板的措施;针对优化后的加劲梁,进行1∶118的全桥缩尺模型风洞试验,并采用有限元软件ANSYS建立全桥三维有限元模型,进行了施工状态及成桥状态下的颤振分析。结果表明:在加劲梁断面增加2道1/4下稳定板后,提高了桥梁的颤振稳定性能;在-3°、0°和+3°风攻角作用下,该桥在施工状态和成桥状态下的颤振临界风速均大于检验风速,颤振稳定性能满足规范要求,较好地改善了桥梁的抗风性能。     

上、下组合中央稳定板对于箱梁颤振性能的影响

为比较不同高度稳定板单侧和上、下组合设置时断面的颤振性能,并说明设置中央稳定板前后不同攻角下颤振发散机理的改变,针对一特定的单箱断面悬索桥,设计并开展了一系列节段模型风洞试验。首先研究了3个攻角(3°,0°,-3°)下单侧设置稳定板对颤振性能的影响,进而同时改变上侧和下侧稳定板的高度,探索对应攻角下断面的抗风效果,从而给出稳定板组合设置时的最优高度取值。结合二维三自由度颤振分析方法(2d-3DOF),分析了最优中央稳定板组合设置断面相比于原始断面颤振发散机理的变化。结果表明:无论是上侧或下侧,单侧设置稳定板断面的颤振临界风速基本呈随着稳定板高度先增大后减小的趋势,合理高度的稳定板能提高颤振临界风速;相比于单侧稳定板,同时设置上、下稳定板对于气动稳定性能的改善效果更佳;二维三自由度分析结果显示,中央稳定板显著改变了颤振发散驱动机理,组合设置稳定板的最优断面和原始断面气动阻尼随风速的变化趋势明显不同。     

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。     

南京仙新路过江通道主桥抗风性能风洞试验研究

仙新路过江通道主桥为跨径布置(580+1 760+580) m的悬索桥，桥塔高267 m,加劲梁采用整体式闭口钢箱梁。为研究该桥运营阶段抗风性能，通过1∶50缩尺比加劲梁节段模型风洞试验分析大桥的驰振性能及提高大桥颤振性能的气动措施；通过1∶140缩尺比全桥气弹模型风洞试验，验证大桥的颤振、静风稳定性，并研究桥梁的抖振响应。结果表明：该桥在常遇风攻角范围内(-3°～+3°)不具备发生驰振的必要条件，加劲梁断面具有良好的驰振稳定性；加劲梁原始断面的颤振稳定性不满足规范要求，在中央防撞护栏间增设0.67 m高中央稳定板后，颤振临界风速高于颤振检验风速并具有一定的富余量；采用优化措施后，大桥具备良好的静风与颤振稳定性，加劲梁、桥塔在设计风速下各测点抖振响应值较小且均未发生不稳定振动或发散性振动。     

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。     

大跨径悬带桥颤振特性研究

借助一种三维颤振分析方法,分析一座主跨618 m悬带桥的三维颤振性能,并与相同跨径的悬索桥进行对比,进一步探讨悬带桥的多模态参与效应、侧向自激力效应及节段模型试验的模态选取等问题;同时还对悬带桥进行多种组合下的两模态二维颤振分析及节段模型风洞试验。研究结果表明：与悬索桥的扭转模态颤振驱动机制不同,悬带桥的颤振由侧向-扭转耦合模态分支驱动,具有更低的颤振临界风速;悬带桥的颤振形态表现为侧向、竖向和扭转方向耦合振动,侧向自激力对颤振临界风速的影响较小;侧弯-扭转耦合模态及竖弯模态的模态组合具有最低的颤振临界风速,二维颤振分析结果与三维颤振分析结果基本一致,说明其多模态参与效应不明显,由此可见三维颤振分析及节段模型中模态合理选取的重要性。研究结果可为其他新颖体系大跨径桥梁的颤振研究提供参考。     

1400m跨径钢箱梁斜拉桥方案颤振控制气动措施试验研究

为寻找合理可行的颤振控制气动措施,使超千米跨径斜拉桥的颤振临界风速超过80m/s,以主跨1 400 m的钢箱梁斜拉桥设计方案为背景,通过节段模型风洞试验对中央稳定板、中央开槽、悬臂水平分离板、风嘴锐化等各种超千米斜拉桥颤振控制气动措施的效果进行了研究.研究表明:1.5 m悬臂水平分离板加40°锐化风嘴角的颤振控制组合气动措施,能够显著改善桥梁的颤振性能、实现颤振临界风速不低于80 m/s的目标;从颤振稳定性角度验证了1 400 m斜拉桥方案的可行性;超千米斜拉桥的颤振稳定性的富余度往往不高,设计必须考虑斜风效应的不利影响.     

深中通道伶仃洋大桥(主跨1 666 m)抗风性能研究

伶仃洋大桥（主跨1 666 m）为深中通道的主通航孔桥，位于典型的强台风气候区，易受台风主导的极端天气影响，桥面高度处的设计基准风速高达58.6 m·s^-1，桥梁的抗风设计面临极大挑战。介绍该桥从初步设计阶段到施工图设计阶段的抗风性能研究过程，包含初步设计阶段采用节段模型风洞试验实施的多方案结构比选和施工图设计阶段通过全桥气弹模型和节段模型风洞试验优化主梁气动措施两方面内容。通过整个抗风设计流程，最终确定了结构体系、主梁形式及梁高、中央稳定板高度、栏杆透风率和检修轨道位置等综合抗风措施，在保证抗风安全的同时提高了工程经济性。对于本工程代表的超大跨度悬索桥，以多种气动和结构措施综合提升桥梁的抗风稳定性，突破了颤振设计的认识瓶颈，成功地沿用了整体式流线箱形加劲梁，回归到桥梁设计及建造兼顾经济和安全的发展本源，对于采用整体箱梁的大跨度悬索桥极限跨径的应用具有重要的示范意义。     

大跨高低塔斜拉桥抗风性能试验研究

为了研究大跨高低塔斜拉桥抗风性能,以顺德斜拉桥为工程背景,通过节段模型风洞试验研究桥梁的涡振、颤振性能,并分析桥梁的静风响应性,研究发现：较小的风嘴有利于抑制和减小流线型箱梁的涡振振幅,且不影响颤振稳定性;大桥静风响应随风速变化具有显著的非线性特点,来流风攻角对静风响应影响较小。该研究可为大跨高低塔斜拉桥抗风性能研究提供科学依据和参考。     

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。