半开口分离双箱梁断面涡激共振及气动优化风洞试验研究

潭州大桥主桥为314m独塔双索面斜拉桥,主梁采用半开口分离双箱断面钢箱梁结构,为研究该桥特殊主梁断面的风致振动问题,提出有效的控制措施,通过制作该桥主梁节段1∶40缩尺模型进行一系列风洞试验,研究分析了主梁半开口分离双箱梁断面的涡激共振响应特性、漩涡脱落原因及其气动优化措施等。结果表明:半开口分离双箱梁断面在+3°风攻角下发生大幅竖弯涡振,振幅超过公路桥梁抗风设计规范的限值;来流上游侧人行道墙式防撞护栏是导致涡激振动发生的最主要原因,检修车轨道和检修道栏杆对竖弯涡振起放大作用;设置检修车轨道遮风板可以一定程度降低涡振振幅,但作用有限。使用高透风率的钢结构人行道防撞护栏能够有效降低竖弯涡振振幅,可满足桥梁抗风设计规范的要求。     

泸州黄舣长江大桥主梁涡激振动特性及制振措施研究

以泸州黄舣长江大桥为工程背景,研究了流线型钢箱梁的涡激振动特性和有效的制振措施。基于1∶20大尺度节段模型风洞试验,测试在不同阻尼体系下主梁涡激振动性能,获得详细的发振风速和锁定区间的涡振振幅,发现检修车轨道对涡振的不利影响,通过设置梁底内侧导流板屏蔽了检修车轨道,抑制了涡激振动,满足规范要求。研究成果为流线型钢箱梁抗风设计的涡激振动制振措施提供参考。     

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.     

宽幅流线型钢箱梁涡振性能气动优化措施研究

为了解宽幅流线型钢箱梁在大攻角下的涡振性能,确定断面的涡振敏感构件,改善其涡振性能,以太洪长江大桥(主跨808m的双塔悬索桥)为背景,制作1∶50加劲梁节段模型,通过风洞试验研究其宽幅流线型钢箱梁在不同攻角下的涡振性能,通过设置检修道栏杆抑流板、检修轨道内移及减小风嘴角度等气动措施对其涡振性能进行优化,并测试各优化措施的抑振效果。结果表明:宽幅流线型钢箱梁涡振性能随来流风攻角增大逐渐变差;桥面检修道栏杆是涡振首要敏感构件,梁底检修轨道对涡振的影响较弱;设置检修道栏杆抑流板、减小风嘴角度对抑制涡振响应均有明显效果,同时结合检修轨道内移能更显著地抑制涡振响应。     

栏杆基石对闭口箱梁桥梁涡振性能影响的机理

为研究检修道栏杆基石对桥梁涡激振动性能的影响，依托中国某主跨808 m的超大跨度闭口箱梁加劲梁悬索桥，通过主梁大比例节段模型弹性悬挂测振测压风洞试验获取模型风致振动响应和表面各测点压力时程数据，测试原设计断面在±5°攻角范围内的涡振性能，对比分析3种不同栏杆基石位置和高度工况下主梁涡振响应性能和桥面测点脉动压力系数均值、均方差、压力功率谱以及局部气动力和总体气动力的相关性。研究结果表明：依托工程主梁设计断面发生了显著的竖向和扭转涡激共振，且扭转涡振显著超出规范允许值，主梁涡振性能随来流风攻角的增大而变差。主梁表面实测脉动压力数据分析显示，由于栏杆和基石的阻挡，箱梁上表面气流分离后在后部再附，导致上表面前部和中后部发生了强烈的压力脉动。上表面前部、后部以及下表面迎风区斜腹板局部气动力与总体气动力具有很强的相关性，这也是导致主梁发生显著扭转涡振的根本原因。将栏杆基石移至桥面板边沿显著减小了上、下表面压力脉动，上表面前部和后部气动力相关性被破坏，可以大幅抑制涡振；将栏杆基石移至桥面板边沿，并降低栏杆基石高度抑制了气流在上表面后部的再附现象，断面压力脉动被削弱，局部气动力和总体气动力相关性被完全破坏，从而有效抑制涡振。     

重庆永川长江大桥涡激振动性能风洞试验研究

为研究在常遇风速下混合梁斜拉桥的涡激振动性能及抑振措施,以半飘浮体系七跨连续双塔混合梁斜拉桥——重庆永川长江大桥为背景,设计基于1∶50主梁节段模型风洞试验,测试在不同阻尼体系下检修车轨道、导流板对涡激振动性能的影响,并对主梁外挂排水管道的形状进行了优化,最后提出了可显著改善主梁涡激振动性能的抑振措施。研究结果表明:主梁在-3°、0°和+3°攻角下均发生了明显的涡激振动现象,+3°攻角下的振幅最大,且远大于规范的容许振幅;向梁底内侧移动检修车轨道,并在其内侧布置导流板可大幅降低主梁的涡激振动振幅;位于斜腹板的圆形排水管道会削弱主梁的气动性能,改用120cm×20cm的扁状排水管道可有效提高颤振临界风速并降低涡激振动振幅。     

不对称钢箱梁涡激振动性能及制振措施研究

锦江人行天桥全长698 m,主桥部分上部结构为桅杆式斜拉桥,下部结构采用V形钢桥墩,主梁断面为左右不对称钢箱梁。为研究不对称钢箱梁断面的涡激振动特性,同时消除可能存在的涡激振动对主桥运营安全的影响,对主梁断面开展了1∶20节段模型风洞测振试验,针对主梁受气动干扰敏感和可调节气动外形的区域进行涡激振动气动措施研究。试验结果表明：不对称钢箱梁在前后两侧来流工况下,主梁均出现了涡激振动现象,但各工况下的涡振现象和风速锁定区间不同;对比了去除主梁栏杆和对栏杆间隔封闭的气动措施,采用对栏杆隔三封一能够抑制主梁的涡激振动。本研究所提出的制振措施可为类似工程研究提供参考。     

带悬臂流线型箱梁大比例节段模型涡振试验研究

大比例节段模型风洞试验是预测大跨度桥梁主梁涡振性能的有效方法之一。为研究带悬臂流线型箱梁涡振性能影响因素及气动优化措施,以某大跨悬索桥为工程背景,进行了1∶25大比例节段模型风洞试验。试验研究了不同来流攻角状态下主梁断面的涡振性能,并检验了移动检修轨道位置、安装悬臂、轨道导流板以及底板竖直稳定板等气动措施的制振效果。研究结果表明:随攻角由负变正,断面的扭转涡振性能逐渐变差;检修轨道向底板中央移动能有效降低涡振振幅,同时在检修轨上附加导流板能进一步地优化涡振性能,并且导流板越宽效果越明显;悬挑臂导流板以及底板设竖直中央稳定板不适于提高本文主梁断面涡振性能。     

上跨铁路桥梁主梁涡振性能及抑振措施研究

该文基于四川省达州市金南大道西延线二期工程上跨铁路桥梁的主梁节段模型风洞试验,探讨了主梁涡振特性。结果表明:主梁断面存在明显的涡振现象。而后,研究了设置抑流板、移动检修车轨道、改变钢板墙外形和透风率等不同气动措施对主梁涡振性能的影响。根据研究结果,抑流板具有良好的抑振效果;适当改变检修车轨道位置能减少主梁的竖弯涡振,但是没有明显规律;改变钢板墙外形的抑振效果有限,提高钢板墙透风率能有效抑制涡振现象的发生。     

宽幅双箱叠合梁涡振性能及抑振措施试验研究

叠合梁断面通常为气动外形较钝的半开放截面，为漩涡的产生和发展提供了条件，容易发生涡激振动现象。过大振幅的涡激振动会影响行车舒适性，严重时将引起结构疲劳破坏，危及桥梁结构安全。如何有效解决涡激振动问题成为叠合梁桥抗风设计的关键。为了抑制该类主梁断面的涡激振动，以宜宾盐坪坝长江大桥为背景，通过1：60的节段模型风洞试验，研究了风嘴、中央稳定板、封闭栏杆、裙板、内侧隔流板、箱梁下导流板等常见措施对双箱叠合梁断面涡激振动性能的影响。研究结果表明：封闭斜拉索防护栏杆、内侧隔流板、梁底稳定板等措施均可不同程度地降低主梁的涡振振幅，但仍无法满足桥梁的抗风设计要求；竖直裙板可以使-3°和0°攻角下主梁的涡激振动消失，但对3°攻角的减振效果有限；在叠合梁中应用广泛的传统整体式风嘴无法降低宽幅双箱叠合梁的涡振振幅；采用安装在箱梁侧下方的三角形风嘴可以减弱箱梁边缘的流动分离，优化梁体的气动外形，从而使断面在各个风攻角下的涡振振幅大幅降低。将三角形风嘴与封闭斜拉索防护栏杆的方案组合后，可进一步降低主梁的涡振振幅，满足抗风设计的要求。所提出的叠合梁涡振抑振措施具有较好的工程适用性，可为同类桥梁的抗风设计提供借鉴。     

基于主动翼板的桥梁颤振次最优控制

颤振是大跨度桥梁抗风设计中的关键问题。通过对颤振进行主动控制影响桥梁的气动形态从而改变作用于结构上的气动力，达到抑制颤振的目的，对于大跨度桥梁的颤振控制是行之有效的手段。但是桥梁的颤振主动控制涉及到气动力的获取和控制率的优化问题，迄今未能完全解决。结合桥梁主动控制前期研究并借鉴航空领域中的颤振主动控制原理，研究了基于主动翼板的桥梁颤振控制问题；基于机翼-副翼理论和颤振导数形式给出了流线箱梁-主动翼板的自激气动力表达式，同时考虑主梁钝体特性和其与主动翼板气动干扰效应；由流线箱梁-主动翼板的气动力表达式和试验控制的诉求，采用次最优控制理论，构造基于少数状态变量的桥梁颤振系统反馈控制方程。根据流线箱梁-主动翼板气动力表达式和次最优控制理论，针对平板-翼板和流线箱梁-翼板系统，首先由数值风洞获取系统的气动力，并采用自编程序解算次最优颤振控制律；最后通过计算流体动力学（CFD）流固耦合数值仿真对控制效果进行检验。结果表明：对于平板-翼板系统，基于流线箱梁-主动翼板气动力表达式而获取的颤振导数与理论解吻合，验证了该气动力表达式的准确性，可用于后续控制分析；结合系统的气动力，次最优控制率在超越无控制结构的临界风速下，能够快速抑振。据此，主梁-翼板系统的次最优控制可面向实际抑制桥梁颤振，并提高颤振临界风速。     

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...     

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。     

基于位移测量的非线性涡激力模型参数识别方法

利用半经验数学模型来近似表示涡激力是目前研究涡激共振所采用的主要方法，但关于非线性涡激力模型参数的试验识别研究还较少，现有识别方法也有待改进。为了更方便可靠地识别非线性涡激力模型中的参数，根据能量等效原理推导出一种基于节段模型位移响应的气动参数识别新方法。通过节段模型风洞试验测得中央开槽箱梁断面的扭转涡激共振位移响应，应用新方法识别简化非线性涡激扭矩模型中的气动参数，并对参数识别精度做出评价。将新方法与Ehsan等所建议的位移法以及基于实测力时程的三步最小二乘拟合法进行了对比。结果表明：利用新方法识别得到的气动参数可以较好地预测系统的扭转涡激共振位移响应；基于一致的系统线性机械参数，新方法识别得到的气动参数与Ehsan等所建议位移法的识别结果基本相同，而新方法能进一步考虑对识别结果影响较为显著的机械参数非线性特性；当新方法考虑非线性机械参数时，其识别结果和基于实测力时程的三步最小二乘拟合法相比也十分吻合，并且新方法更为简便。     

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。     

节段模型长宽比对风洞测力试验及计算分析的影响

为提高风洞试验数据的可靠性、了解节段模型端部效应对试验结果的影响,通过风洞试验与数值模拟相结合的方法针对典型桥梁断面制作多组不同长宽比的节段模型研究了节段模型长宽比对三分力系数的影响。利用不同长宽比节段模型试验得到的三分力系数,分析三分力试验误差对静风稳定性及抖振响应的影响。为进一步扩大模型长宽比的研究范围,借助了CFD方法重现风洞试验,在保证数值模拟精度的前提下开展了多个长宽比模型的气动力与流场分析,系统总结不同长宽比模型端部效应的影响规律。分析结果表明:为保证测力试验结果的精度和稳定性,节段模型长宽比建议大于等于3,对于流线型箱梁断面,可以适当放宽要求,节段模型长宽比应大于等于2;当长宽比小于建议值,得到的静风稳定结果和抖振响应结果偏危险,长宽比越小,偏差越大;流线型箱梁阻力系数单侧"影响区"的量纲一的长度约1,升力矩系数单侧"影响区"量纲一的长度约为0.6,升力系数的单侧"影响区"量纲一的长度明显远大于其他气动力系数。流线型断面顶板、底板的压力分布对长宽比的变化较为敏感,上、下游侧斜腹板的压力分布受长宽比的影响较小。     

基于Volterra理论的扁平箱梁气动力非线性特性研究

为了研究扁平箱梁断面气动力系统的非线性特性,采用Volterra理论和CFD方法,对丹麦大带东桥主桥加劲梁断面的气动力特性进行研究。利用脉冲激励模型分别作竖弯和扭转运动,并基于CFD一次数值模拟,对大带东桥扁平箱梁断面气动力系统的Volterra级数核进行识别,建立扁平箱梁断面气动力系统的非线性离散时间Volterra级数模型,该模型可以快速给出任意简谐激励下的气动力响应,无需耗时很久的CFD模拟。分别基于竖弯和扭转向的强迫简谐位移激励,使用Volterra级数气动力模型对大带东桥扁平箱梁断面的气动力系统进行仿真,将得到的仿真时程与CFD模拟结果进行对比,分析振动频率和幅值对扁平箱梁断面气动力系统非线性特性的影响。结果表明：忽略二阶及以上非线性高阶项得到的Volterra级数模型给出的气动力估计与CFD模拟差别很小;扁平箱梁断面气动力的高阶非线性效应较小,其为弱气动力非线性系统;在研究的强迫运动位移幅值和频率范围内,扁平箱梁断面的气动力模型响应没有表现出对振动幅值和频率的显著相关性,且仿真值与CFD模拟值的最大相对精度误差不超过10%。     

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。     

海文跨海大桥设计关键技术

海文跨海大桥是中国首座跨越地震活动断层的跨海桥梁,主桥为独塔半飘浮体系斜拉桥,跨径布置为(230+230)m,跨断裂带引桥为57~60 m不等跨径的简支钢箱梁。针对项目强震、强风、强腐蚀等复杂建设条件,该桥主梁采用自重轻、抗风性能优、疲劳耐久的STC轻型组合扁平钢箱梁结构;桥塔采用承台无系梁的横向“人”字形塔、环向预应力锚固系统;通过与沉井方案比选,提出桥塔基础采用超大直径4.3 m的钢管复合桩,以解决强震作用下基础的受力与微风化花岗岩地质施工的难题;采用提出的钢-STC钢箱梁简支桥面连续构造、三维可调节的钢垫石支撑技术方案,以解决跨断裂带钢箱梁日常行车舒适性与强震下桥梁易修复的难题。开展钢箱梁简支桥面连续构造理论及荷载足尺模型试验、1∶20主桥振动台模型试验、抗风模型风洞试验等相关研究,验证了结构的可靠性及适应性。