不同主梁断面形状的大跨度桥梁颤振机理研究

基于线性颤振分析理论，考虑结构的动力特性和作用在结构上的气动力随风速以及结构变形的非线性变化因素，提出了大跨度桥梁的三维非线性颤振分析方法。运用该方法对具有流线型和钝体主梁断面的大跨度桥梁进行了各项非线性颤振分析，揭示了不同主梁断面形状大跨度桥梁颤振形态的内在本质和区别以及颤振发生的机理。     

数值模拟桥梁断面气动导数和颤振临界风速

从描述流体绕运动的刚性断面流动的N S方程出发,首先采用时间二阶Projection 2算法对控制方程作分裂步处理,得到的求解方程空间离散采用有限体积法,物面运动方式为自由度解耦的强迫振动,采用计算网格和刚性截面刚性连接、同步运动的动网格技术,数值模拟了振动的大带东桥绕流场,由计算的气动力按最小二乘法提取气动导数,最后计算了大带东桥的颤振临界风速。计算的大带东桥气动导数与风洞试验有很好的一致性,大带东桥颤振临界风速模拟值与风洞试验结果偏差很小,证明了本文数值方法的正确性和工程适用性。     

桥梁主梁断面颤振导数的强迫振动识别法

介绍了颤振导数识别的强迫振动方法试验装置及识别原理，用它进行了三种典型断面形式的颤振导数识别，研究了不同驱动频率、振幅对识别结果的影响。研究结果表明：强迫振动法具有试验数据重复性好、测定折减风速范围宽、无需复杂的系统识别过程即可得到交叉导数项等一系列优点。     

基于CFD的连续刚构桥主梁风荷载数值模拟研究

基于计算流体动力学(CFD),以某高墩大跨连续刚构桥的典型断面为背景进行数值模拟,引入无量纲的静力三分力系数概念,对比分析风攻角、梁高等参数对桥梁主梁截面气动力特性的影响,并结合可视化流场分析其作用机理。结果表明,CFD方法能直观分析钝体绕流特征及结构的气动力特性;箱梁断面升力系数受风攻角的影响较大,阻力系数受梁高的影响较大;梁高越大,主梁截面的三分力系数随风攻角变化的幅度越小,流场分布越复杂。     

基于蒙特卡罗数值模拟的大跨桥梁状态评估

为了定量地研究大跨桥梁在多种随机因素下的可靠度,采用蒙特卡罗数值模拟方法,对润扬长江公路大桥(中国跨度最大的悬索桥)在温度、风、车辆荷载、车辆冲击等随机变量作用下的结构可靠度进行计算。通过对大桥在正常运营和损伤状态下的可靠度分析,获得了大桥主缆应力、吊索应力、桥塔位移以及钢箱梁线形等重要指标的可靠度和累积分布函数,其分析结果形象直观,提高了评估的效率,使维护决策的制定更加客观准确。     

分体式主梁桥梁颤振稳定性流固耦合数值计算研究

通过对计算流体力学商用软件FLUENT二次开发,建立了二维弯曲和扭转流固耦合数值仿真计算模型,研究6种钢箱梁桥梁方案的颤振稳定性:①整体钢箱梁;②～④不同中央开槽率的钢箱梁(开槽率分别为20%,40%和100%);⑤中央开槽与中央稳定板组合钢箱梁;⑥中央开槽与中央稳定板和水平稳定板组合钢箱梁。数值计算结果表明,对于颤振稳定性,中央开槽钢箱梁优于整体式钢箱梁;在假定主梁截面特性及桥梁自振频率不变的条件下,适当的开槽率可以使钢箱梁颤振临界风速达到最高;中央开槽与中央稳定板和水平稳定板组合钢箱梁可进一步提高桥梁颤振临界风速。数值仿真计算结果和风洞试验结果基本吻合。     

大跨桥梁颤振分析理论研究进展

随着悬索桥跨径朝向2 000 m级发展，由大攻角和大振幅引起的结构非线性和气动力非线性影响突出，颤振设计面临着前所未有的挑战。传统的桥梁颤振计算理论及方法已无法满足大跨度及超大跨度桥梁的抗风设计需求，亟需发展桥梁非线性颤振计算理论与方法。在扼要回顾线性颤振理论研究成果的基础上，对近年国内外关于桥梁非线性颤振的研究进展及主要成果进行了总结，介绍了非线性自激气动力的研究成果和几种典型的非线性自激气动力模型，并根据桥梁断面气动力随振幅变化的非线性特性，重点介绍了2种不同类型的非线性耦合颤振计算方法，其有效性和准确性均通过风洞试验进行了验证。需要指出的是，气动力的振幅依存性是大跨度桥梁颤振后状态研究的关键所在，尤其是计入耦合效应的高次谐波气动力的振幅依存性。基于目前的研究进展，确定了三维和多模态非线性颤振计算方法，任意运动及紊流下非线性气动力建模和非线性颤抖振理论，以及如何科学制定"软颤振"的评价标准是未来需要重点开展的几项工作。     

桁架主梁桥梁颤振流固耦合数值仿真计算

随着桥梁跨径的增加,其结构对风的敏感性增强,颤振稳定性往往成为桥梁设计中首要考虑的因素。桁架主梁构造复杂,也是抗风数值计算的难点。通过对FLUENT二次开发,建立了基于几何三维的竖弯和扭转流固耦合数值仿真计算模型,通过对黄冈公铁两用长江大桥进行颤振数值仿真计算,利用不同风速下主梁位移时程曲线判断颤振临界风速,并和节段模型风洞试验结果进行比较。计算表明,数值仿真计算结果和风洞试验结果基本吻合,说明本文流固耦合计算方法的有效性。     

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。     

基于CFD方法的大跨高墩刚构桥梁风荷载数值识别

针对峡谷地区典型特大跨高墩桥梁结构风荷载的不确定性问题,采用计算流体动力学(CFD,Computational Fluid Dynamics)方法,对大跨变截面主梁和超高双柱薄壁桥墩的风荷载进行数值识别。研究不同气流攻角对主梁结构风荷载的影响、不同气流风偏角对超高薄壁墩风荷载的影响、考虑尾流干扰效应的双柱薄壁桥墩气动力变化过程。同时,从气流作用微观角度分析了气流对大跨高墩刚构桥梁结构风荷载的作用机理。通过数值计算,为设计人员进行大跨高墩桥梁风荷载的取值提供了参考,对目前我国相关桥梁设计规范的缺陷进行了有效的补充。     

基于CFD模拟的钢管桁主梁气动特性研究

基于计算流体力学方法,以深圳市拟建山谷沟壑处景观桥为研究对象,建立三维仿真节段模型进行气动性能研究。首先研究节段桁架模型在对称边界条件下的合理性,得出可以利用节段模型来代替三维整桥进行数值模拟。然后通过比较三维整桥模拟与国内现行规范中桁架桥气动参数选取方法,做出检验并提出改进建议。以桁架桥结构截面的外轮廓和实面积比作为控制条件建立二维等效模型,采用4种二维圆管桁主梁CFD计算简化模型,并计算了在-5°、-3°、0°、3°、5°攻角情况下的桁架桥梁静力三分力系数。同时基于非定常时程曲线,对4种二维等效模型附近的空间流场结构、涡振性能差异进行了对比。     

基于CFD的运动桥梁断面气动力非线性特性研究

为研究运动桥梁断面气动力的非线性特性,基于CFD模拟桥梁断面在不同振幅下的强迫振动,并对各工况下断面压力进行主分量分析。研究结果表明,振动幅值不同程度改变了桥梁断面压力第一主分量曲线,由主分量分析可知,大幅振动下的桥梁断面脉动压力与振幅间存在非线性关系;采用数值仿真识别颤振导数,强迫振动幅值不宜大于0.02倍模型宽,尝试从机理上进行了解释;大幅振动下的气动力与振动幅值间的关系存在明显非线性特性,而这种非线性对实际工程的影响有待结合试验进一步研究。     

Ⅱ型主梁断面颤振导数的神经网络预测

为了提高桥梁颤振临界风速以及颤振导数在初步设计阶段的预估工作效率,本文在风洞试验和CFD计算的基础上,结合神经网络技术,建立一种基于神经网络的快速预测Ⅱ型断面颤振导数的方法。研究结果表明,预测结果具有高精度,与数值模拟结果相近。     

大跨桥梁主梁涡激振动研究进展与思考

大跨桥梁主梁涡激振动与控制属桥梁工程核心技术难题,亦为桥梁抗风设计理论有待深入解决的关键科学问题。为推动大跨桥梁主梁涡振理论与应用研究的进一步发展,系统梳理国内外针对该问题的最新进展与前沿热点。首先总结现场实测、风洞试验、计算流体力学及理论分析4种常用研究手段及其适用条件,然后从主梁断面涡振驱动机理、涡振影响因素、三维全桥涡振计算方法及主梁涡振控制4部分回顾国内外最新研究进展,最后从试验与测试技术、理论分析、主梁涡振控制3个角度探讨大跨桥梁主梁涡振研究的发展趋势。结果表明：大跨桥梁主梁涡振研究在流体-结构耦合特性模拟、三维全桥涡振性能预测、实桥涡振控制等方面尚存在一些技术难题有待进一步探索;近年来围绕新型观测设备和试验技术、高精度气动力降阶模拟和人工智能手段、主动气动控制措施和新型被动机械措施方面出现了一些新的发展趋势,有较大的细化和深入研究的空间。     

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。     

大跨径连续刚构桥梁主梁跨中下挠风险评估

以实际工程为背景,对大跨径连续刚构桥梁主梁跨中下挠风险进行风险评估。采用专家调查法进行风险估测,确定风险发生概念和风险损失概念,评价风险等级、提出风险应对措施。     

大跨桥梁主梁涡激振动影响因素研究进展

现代大跨桥梁跨度更大、结构更轻柔、自振频率较低且密集,在较低风速下主梁易发生涡激振动现象。涡激振动是一种带有自激、自限特性的非线性振动,影响涡激振动响应因素较多如雷诺数效应、紊流特性及主梁断面形式等。本文介绍了近期大跨度桥梁主梁涡激振动影响因素研究进展,为抗风设计及抑振措施提供参考。     

斜拉桥主梁断面静三分力系数的数值模拟

计算流体力学方法的发展给风工程提供了一种可能替代风洞试验的研究手段。以一斜拉桥为模型,采用FLUENT软件分析主梁断面在0°攻角下的速度和压强分布,并得到主梁断面在攻角-5～5°范围内的静三分力系数,为抗风计算提供依据。     

三种典型主梁断面的悬索桥颤振性能差异

为了揭示主梁基本气动外形对悬索桥颤振性能的影响,以一座大跨悬索桥为例,分别选取流线型箱型、边箱型与分离式双箱型3种典型断面作为大桥主梁的基本气动外形。采用强迫振动法并基于CFD数值模拟获取各断面的气动参数,并采用阶跃函数法建立主梁的气动自激力时域模型;然后利用ANSYS平台进行全桥时域颤振有限元分析,得到各断面对应的颤振临界风速与颤振频率。结果表明：分离式双箱断面的颤振性能最佳,其颤振临界风速达到109.6 m/s,远高于其他2种断面;流线型断面与边箱型断面的颤振临界风速分别为89.4 m/s与86.9 m/s,两者的颤振性能相差不大;由频谱及相位分析可知,3种断面的颤振频率介于竖弯与扭转基频之间,颤振形式表现为不同程度的扭弯耦合振动。     

大跨桥∏形主梁断面气动导纳的试验识别

准确的气动导纳值是抖振精细化分析的前提,比较切合实际的桥梁断面气动导纳函数目前只能通过风洞试验进行考察.通过风洞试验对大跨桥∏形主梁断面气动导纳进行研究,气动导纳的识别理论采用等效气动导纳法,考察∏形主梁断面气动导纳变化规律,并对试验中获得的3个气动导纳曲线进行拟合,得出拟合后的气动导纳曲线表达式,试验结果表明:∏形桥梁断面阻力导纳函数和升力导纳函数随折减频率的增大有递减的趋势,而对于力矩导纳则呈现出先增后减的趋势,现行桥梁规范中采用Sears函数对∏形断面进行抖振分析存在较大的误差.