大跨度山区桥梁风特性数值模拟及试验研究

以在建的贵州瓮马铁路北延伸线工程湘江特大桥为例,研究山区峡谷复杂地形下桥位处的风特性并指导桥梁抗风设计。采用逆向工程软件Imageware,使用曲面拟合的方式将高程数据转换成桥位附近直径8 km的地形曲面用于数值模拟和风洞试验分析。为解决模型边界的“人为峭壁”问题,通过采用改进的边界过渡段来减小地形模型中“人为峭壁”对山区桥位处风特性的影响。基于CFD数值模拟,通过改变速度入口边界位置来实现8种不同来流风偏角,研究桥轴线方向和风剖面监测点位置处的风特性。对有过渡段和无过渡段的地形模型开展风洞试验,研究横桥向风速、风剖面、风攻角以及桥梁总长1/4跨、1/2跨、3/4跨风剖面等风特性参数。研究结果表明：1)根据抗风规范确定的主梁设计基准风速较CFD方法确定的结果偏小;2)主梁高度处横桥向风速与来流入口基本风速相比,数值模拟和模型试验结果增幅分别为28%和10%;3)采用最优过渡段可使来流风速降低程度较无过渡段时小且风速保持较好;4)无过渡段时,“人工悬崖”会降低主梁高度处的横桥向风速。大跨度山区峡谷桥梁风特性数值模拟及试验研究得到了一些重要参数和变化规律,研究成果可为类似桥梁的设计研究提供...     

山区峡谷地形风场下柔性接触网风振特性研究

采用计算流体力学方法,研究峡谷地形下三维风场的空间分布特性,获得风速和风攻角随空间和地形参数的变化规律.在有限元软件中构建接触网非线性模型.考虑脉动风场的空间和时间相关性,采用四阶AR法生成山区峡谷中接触网沿线的三维随机风场,对典型峡谷下接触网的风振特性进行研究.结果表明:在"峡谷效应"的影响下,接触线在沿峡谷走向方向...     

山区复杂地形下高墩多跨连续铁路钢桁梁桥的风场特性研究

以在建的蒙华铁路三门峡黄河公铁两用大桥为工程背景,研究复杂山区桥址的风参数问题。采用中国科学院地理信息的高精度地形,通过逆向工程软件拟合出桥址地形曲面。通过形成以该曲面为底面的长宽高分别为100,100和20 km的计算域并实施网格划分,采用大涡模拟(LES)数值模拟不同来流条件下计算域内的流动特征,重点分析各风向角下桥轴线上平均风特性、湍流度和风攻角等参数。数值仿真表明:与远方来流风速相比,桥轴线上部分位置处的风速增加可达到20%,但是沿桥轴线平均的风速并不存在加速效应,因此,平均风速取值无需考虑加速效应。地形效应附加的风攻角在1°～2°左右。     

山区峡谷高墩连续刚构桥抗风性能与气动外形优化

为研究山区峡谷高墩连续刚构桥的抗风性能,以木绒大桥为例,利用流体计算软件(CFD),模拟计算桥位处常遇风速20 m/s的情况下连续刚构桥1/4跨主梁截面在大涡模型下的-3°、0°和3°风攻角三分力系数,并与风洞试验结果进行对比验证;利用验证所得三分力系数,通过模拟计算总结在主梁中央增加0.10~0.25 h的上稳定板、下稳定板和对翼缘板进行流线化处理措施条件下的抗风效果,以期为山区峡谷地形连续刚构桥抗风设计和抗风效果优化提供可靠依据。     

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。     

钢-混凝土结合桁架拱桥施工控制技术

为了使钢-混凝土结合桁架拱桥成桥后达到合理的内力和线形状态,以成都—贵阳铁路鸭池河特大桥为例介绍了大桥施工全过程控制技术.拱肋钢桁架拼装阶段,重点控制预拼场内胎架上拱肋节段组拼线形和桥位处拱肋节段悬臂拼装线形;拱肋混凝土浇筑阶段,根据模拟分析结果优化拱肋施工过程中的受力,并对关键受力部位进行重点监测;主梁大节段浇筑阶段...     

基于CFD的大跨度邻近桥梁气动干扰效应分析

为研究大跨度邻近桥梁的气动干扰效应,本文以2座大跨度桥梁为对象,基于CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟研究不同间距比和风攻角下气动干扰效应对静力三分力系数的影响,以及不同间距比和折算风速对颤振导数的影响。结果表明:上游桥梁三分力系数及下游桥梁力矩系数对气动干扰效应不敏感;气动干扰效应对下游桥梁的阻力系数和升力系数的影响与间距比和风攻角有关;下游桥梁颤振导数受气动干扰效应影响大,随间距比与折算风速的变化表现出不同的规律。     

高速铁路连续梁桥三分力系数的数值模拟分析

连续梁桥是高速铁路上的一种典型桥梁,利用计算流体力学软件对其不同截面在不同工况下的静气动性能进行了数值模拟,研究了平均风速、风攻角、宽高比以及桥上列车分布状况分别对桥梁截面三分力系数的影响.研究结果表明:风速和风攻角对桥梁的静气动性能影响显著；梁高的增大使桥梁处于不利的风荷载作用下；在桥上有列车状态下桥梁的静气动性能不如无车时稳定.     

洞庭湖大桥拉索风雨振中的风场参数

以岳阳洞庭湖大桥斜拉索风雨振现场观测实验为背景,介绍了现场实验的基本情况,对部分信号进行了时程分析?通过对有效数据的统计处理,以图例形式定量地揭示了风速、风偏角和攻角3个风场参数与拉索振动的关系,并将分析结果与国内外的研究成果进行了比较。对风雨振研究工作提出了一些建议。     

风-车-桥系统非线性空间耦合振动研究

将风、车、桥三者作为一个交互作用、协调工作的耦合振动系统,较全面地考虑风桥间的流固耦合作用、车桥间的固体接触耦合作用、风对车的空间脉动作用及整个系统的时变特性。主要研究内容如下。基于自由振动信号,提出一种颤振导数识别的新方法———加权整体最小二乘法(WELS),以识别桥道断面的颤振导数。为考虑斜拉桥桥塔风效应,根据大跨度斜拉桥结构形式特点,结合脉动风的相关特性,提出一种简化的大跨度斜拉桥三维脉动风场模拟方法。该方法将实际面状的三维相关脉动风速场简化为多个沿桥塔及主梁线状分布的独立一维脉动风速场,从而大…     

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。     

赤石特大桥索塔三分力系数识别与抗风时程分析

介绍风速时程模拟方法,特别针对谐波合成法进行论述。以赤石特大桥为例,采用Fluent软件进行-4°～4°攻角范围内特定截面的三分力系数模拟分析,结果表明,当攻角为1°时,阻力系数最大。根据现场采集的风速样本,针对5号塔进行抗风时程分析,研究结果表明:采用不同的计算标准,动力系数结果并不一致,甚至当以横桥向弯矩为标准,脉动风荷载作用下索塔没有表现出动力放大效应;在桥面脉动风荷载作用、塔顶脉动风荷载作用下,塔顶的最大位移、索塔底部最大应力均在容许范围之内;索塔横桥向刚度远大于顺桥向,抗风分析应以顺桥向为主;采用不同的标准计算动力系数结果不同,进行拟静力分析时建议采用动力系数的最大值。     

高速列车通过峡谷风区时气动性能研究

基于三维非定常可压缩雷诺时均N-S方程和RNGκ-ε双方程湍流模型,采用滑移网格技术,对峡谷风作用下8车编组的高速列车进出隧道气动性能进行模拟,并对沿线风速进行监测。研究表明:列车平地上非定常数值计算所得气动力系数均方根与风洞试验结果规律一致,两者吻合较好。由于受狭道效应和峡谷中地形地貌的共同作用影响,桥上各监测点的风速呈非对称分布。列车从隧道中驶入峡谷风区和从风区驶入隧道中两过程,列车气动力系数变化有明显差别。列车在峡谷风区高速行驶过程中,列车气动力及力矩系数会因受到以峡谷风为主的地形风影响而出现明显波动,其中尾车侧向力系数和头车升力系数受影响变化最大,分别为67%和216%。     

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。     

云桂铁路南盘江特大桥桥式方案研究

南盘江特大桥是云桂铁路的重点桥梁,根据桥址处V形峡谷的地形特点,采用上承式拱桥方案显然是最佳的选择。设计研究了混凝土整体箱拱、混凝土双肋箱拱、钢桁拱和钢管混凝土拱四个方案,并进行同精度设计比选。钢桁拱方案桥梁整体刚度偏弱,造价偏高;钢管混凝土拱方案焊接质量和接头疲劳问题较难解决;混凝土拱桥方案刚度大,造价低,从技术稳妥性、施工便利性考虑,最终选择了单箱三室的整体拱圈方案。本桥的方案研究成果对山区超大跨度拱桥设计具有一定的参考意义。     

沪昆高铁北盘江特大桥导风栏杆防风效果风洞试验研究

为满足列车在25 m/s风速下以设计速度350 km/h安全通过桥梁,以沪昆高铁北盘江特大桥为工程背景,研发一种桥梁防风装置—导风栏杆。每根导风栏杆由挡风面、导风角、通风孔、加强肋、安装孔构成,挡风面近似为一个扇形结构,上部有导风角,挡风面上部均布通风孔。每根导风栏杆以一定的间距排列,通过螺栓与下部预埋组件相连。通过风洞试验和风-车-桥耦合分析对导风栏杆进行防风效果验证。结果表明:导风栏杆的应用解决了列车在大风情况下的全速安全运行问题,同时提高了列车的乘坐舒适性。导风栏杆兼具挡风、导风、栏杆功能于一体,同时发挥了桥梁防风、行人安全防护的功能。大部分风通过带折角的倾斜导风叶片进行转向,减小了风荷载对导风栏杆的受力,同时减小主梁的受力。     

福厦高铁泉州湾跨海大桥主桥风-车-轨-桥耦合振动研究

为研究横风作用下泉州湾跨海大桥主桥的行车安全,基于风-车-轨-桥耦合振动分析方法,分析了横风作用下泉州湾跨海大桥主桥及桥上高速列车的动力响应,并根据既有规范评价标准,评价桥上列车的抗风安全性,提出了大风环境下桥上安全行车的风-车速阈值。结果表明：主梁跨中横、竖向动力响应随来流风速的增加而增大,尤其是主梁横向位移受来流风速的影响较为显著;列车动力响应随着车速的增加而增大,而高风速环境会放大车速对列车行车安全性的影响;与单线行车相比,双线列车作用主要影响桥梁的竖向位移,设计时速下约为单线作用的1.60～1.94倍,而车辆动力响应的变化较小;为保证桥上列车运行安全,当风速>20 m/s时,桥上行车需要限制速度,其中当风速<30 m/s时,建议关闭交通。     

飞燕式钢管混凝土提篮拱桥边拱的主要结构参数研究

以某飞燕式钢管混凝土提篮拱桥为研究对象,简要介绍了同类型桥的受力分析理论,通过简化计算模型分析三跨自平衡系杆拱桥的主要受力特点,突出对拱桥边拱的受力特性研究,采用有限元软件MIDAS/CIVIL建立了全桥模型并采用参数对比研究的方法,分析拱肋内倾角、拱肋线型对边拱受力的影响。     

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。     

高速铁路接触网系统气动弹性模型风洞试验研究

为研究高速铁路接触网系统的风振特性,按照气动弹性模型相似理论建立5柱4跨接触网系统的气动弹性模型,并进行其风洞试验;采用加速度传感器、激光位移计以及三维动态激光位移计,分别测量腕臂结构的加速度、位移以及接触线三维动态位移,研究均匀流场(试验风速级数范围为3~14m·s-1)和紊流度为20%的紊流场(试验风速级数范围为2~8m·s-1)条件下风攻角为90°和60°时,接触网系统腕臂结构和接触线不同位置的风振响应。结果表明:相同风速下,接触线在紊流场中的位移响应大于在均匀流场的响应;风攻角对接触网挂线点和接触线的影响不同,相比较而言,60°风攻角对挂线点更为不利,而90°风攻角对接触线更为不利;同一吊弦区段内接触线跨中的3点风偏位移基本相同。