桥墩附近桥面局部风环境数值研究

桥墩的存在改变了主梁的空气绕流特征,容易使桥面形成局部风场,可能导致桥上运行车辆气动力的突然变化而直接威胁行车安全。然而,目前对于桥墩影响下桥面的局部风环境少有研究。为探明桥墩影响下桥面的局部风场特性,本研究以数值模拟方为基础开展了研究。以某跨海大桥桥墩—主梁侧风绕流为对象,采用CFD数值分析方法建立模型,探究桥墩附近桥面不同行车道上局部风环境特征,通过有无风屏障的模拟分析风屏障对桥面风环境突变效应的影响,考察了桥墩影响下桥面局部风场沿桥轴向的变化。通过与风洞试验结果进行对比,验证了所采用数值模型及计算方法的准确性。通过不同风速条件确定了雷诺数对有无风屏障下桥面风场的影响,以桥墩-主梁绕流的流线明确了局部风场特征,采用风速变化率量化桥墩影响下桥面风环境的突变效应。分析表明:对于所采用的桥墩-主梁对象与风屏障,桥面风环境对雷诺数不敏感;桥墩的出现导致了桥面出现大的漩涡与分离流动从而形成了桥面局部风场,使得车辆高度范围内迎风侧车道风速总体大于背风侧车道;桥墩沿桥轴向对桥面局部风场的影响随车道与高度的不同而存在差异,背风侧车道受影响高度大于迎风侧车道;风屏障弱化了风速在桥墩附近的突变效应,有利于桥面行车安全。     

基于流固耦合的行车临界风速研究

为了研究风-车-桥耦合系统中车-桥系统的振动特性及车辆行车安全特性,得到车辆在大跨度桥梁上行驶时车辆的安全行驶临界风速,对车辆通过大跨斜拉桥时车辆的气动特性、车-桥系统的振动特性及车辆的行车安全特性进行研究。研究风荷载作用下车辆在大跨度桥上行驶时车辆的行车安全临界风速,分析车辆行驶速度、路面状况及风偏角对车辆行驶安全临界风速的影响。车-桥系统的耦合振动会导致车-桥系统周围风场的特性发生变化,风场的变化会导致下一时刻车-桥系统的受力状态发生改变。考虑车辆运动及车-桥系统的振动与车-桥周围风场的相互影响,基于双向流固耦合数值模拟,建立风-汽车-桥梁空间耦合振动数值分析模型。通过风-车-桥耦合系统三维数值分析,得到了风荷载作用下车辆在大跨度桥上行驶时不同状况下车辆的倾覆及侧滑临界风速。结果表明:基于双向流固耦合数值分析能够较精确地模拟风-车-桥耦合振动系统;风荷载作用下车辆在桥上行驶时,车辆的振动特性主要由汽车-桥梁系统决定,车-桥系统的振动特性受自然风荷载影响;侧向风荷载作用下车辆的倾覆力矩系数及侧向力系数并不一定为最大值,车辆在大跨径桥上行驶受侧向风荷载作用并不一定为行车安全分析的最不利状况。     

桥面侧风对行车安全性影响的概率评价方法

针对高速公路综合管理需求,研究强风天气的大跨度桥梁行车安全性问题。在考虑风速、车型、路面条件和车速的基础上,分析了4种典型车辆的安全行车临界风速,结合桥位风速观测资料统计和桥梁结构对桥面风速的影响,建立桥面行车高度的等效风速概率模型,提出了概率评估方法,并将此方法应用于杭州湾跨海大桥和苏通长江公路大桥的桥面行车安全性分析。研究结果表明:侧滑是行车安全性的主要问题,大跨度桥塔附近的侧风影响最为严重。     

大跨悬索桥桥面风致行车安全评价与对策

在较大的侧风作用下汽车行驶在桥面时易发生行驶偏向问题,尤其在桥塔区域,风速的剧烈变化极易导致车辆事故。本文以虎门二桥工程中的泥洲水道大跨悬索桥为背景,通过风致车辆侧偏动力响应分析和风致侧偏响应评价标准,建立了不同车速条件下代表车型的车辆侧偏安全临界风速;采用虚拟风洞针对主桥、引桥二维绕流及桥塔区桥面的三维绕流进行了模拟,提取了表征桥面风环境的风速影响系数,对设置风障前后情况的对比分析,证明了风障的有效性;通过风致侧偏安全评估给出了代表车型不同车速下的安全行车临界风速,通过风障结构措施和交通管理措施的结合,可使运营期桥面通行安全风速达到9级及以上,并建议了大桥风雨天运营安全控制标准,研究成果可为类似工程借鉴和参考。     

地震与风联合作用下大跨桥梁车-桥耦合振动分析

为了研究大跨桥梁在风、车及地震联合作用下的动力响应,在已有风-车-桥耦合振动分析程序的基础上,利用大质量法模拟桥梁受到的地震作用,建立了地震-风-车-桥耦合振动分析的数值模拟平台,通过质量-弹簧-阻尼系统模拟车辆模型,利用有限元方法建立桥梁模型,采用谱表示法模拟路面粗糙度、风场和地震动,通过分离迭代方法求解地震-风-车-桥耦合振动系统的动力响应。以主跨1 088 m的苏通大桥为例,基于建立的地震-风-车-桥耦合振动分析平台,计算分析了日常风荷载与地震联合作用下桥梁和车辆的动力响应;并进一步探究了地震动完全空间变异性对地震-风-车-桥耦合系统车桥动力响应的影响。结果表明：处于日常运营阶段的大跨桥梁结构（仅承受风和车辆荷载）受到突发地震时,桥梁和桥上行驶车辆的动力响应将急剧增加,地震动对车-桥系统动力响应起控制作用;与地震-车-桥系统中的桥梁响应相比,考虑风荷载会增加主梁跨中的横向振动,但对主梁跨中的竖向振动会有抑制作用;与只考虑地震荷载作用的车桥响应相比,同时考虑地震和平均风速为20 m·s^-1的脉动风荷载联合作用下的主梁跨中横向位移极值最大增大约40%。虽然地震动是车桥耦合振动的控制荷载,但是日常风荷载对大跨桥梁车桥振动的影响不可忽略。地震发生后,车辆的横向加速度极值超过0.5g,竖向加速度极值接近1g,可能引起车辆的侧滑或翻滚,车辆的运行行为有待进一步研究。与仅考虑地震动行波效应相比,考虑地震动完全空间变异性的车桥振动响应不仅在波形上产生很大差异,而且响应极值也发生了较大的变化,可见在地震动输入时需要考虑完全空间变异性来保证得到的车桥响应结果偏于安全。     

多线铁路桥双车交会的风-车-桥耦合振动研究

为研究风荷载下多线铁路桥双车交会的动力响应,以某六线双层铁路斜拉桥为背景,采用桥梁结构分析软件BANSYS建立有限元模型,对不同双车交会组合进行风-车-桥系统耦合振动分析,计算各工况下车辆和桥梁的动力响应,并研究双车交会横桥向间距、车桥相对位置和风速对车辆和桥梁动力响应的影响。结果表明:双车交会过程中,迎风侧车辆的加速度变化不明显,背风侧车辆的加速度明显变大;双车横桥向间距对背风侧车辆的横向加速度有不同程度的影响,竖向加速度有明显突变;横桥向间距对桥梁的横向位移略有影响,对竖向位移几乎无影响;双车横桥向间距相同时,靠近来流方向车道交会时车辆加速度比远离来流方向车道交会时大;迎风侧车辆的加速度随风速增大而增大;桥梁跨中横向位移随风速增大而变大,竖向位移和扭转角受风速的影响较小。     

基于风速风向联合分布的桥面侧风所致车辆事故概率性分析

采用风速概率密度函数和风向频度的乘积表示联合概率密度函数,用极大似然法和概率曲线相关系数法相结合的逐步迭代估计法估计杭州湾跨海大桥桥位处桥面高度各风向的有效最优概率分布类型及参数;利用已建立的风-汽车-桥梁系统安全性分析框架计算得到各个方向下车辆发生事故的临界风速;为了确定桥面局部风环境的状况,在同济大学TJ-3风洞中进行了杭州湾跨海大桥桥面风环境风洞试验研究,并引入等效桥面风速和影响系数以考虑桥梁结构绕流和附属构造物对行车高度处风速的影响;最后,对杭州湾跨海大桥的行车安全进行了基于风速风向的概率性分析,并研究了增设风障对行车安全的影响。结果表明:增设风障是一种非常有效的提高安全行车概率的方法;杭州湾跨海大桥全桥采用70%透风率的风障完全可以满足车辆安全行驶的要求。     

横风作用下跨座式公轨两用斜拉桥行车性能研究

跨座式单轨轨道交通是城市轨道交通系统的一种典型制式,具有转弯半径小、爬坡能力强、地形适应性强等优点。车辆通过窄轨距轮对骑跨在单根轨道梁上的走行方式,使其易受轨道结构振动影响,因此,横风作用下大跨度桥上的车辆运营性能很值得关注。建立了风-跨座式单轨车辆-桥梁耦合系统动力分析模型。以某海外工程的跨座式公轨两用斜拉桥方案为对象,基于风洞试验和数值模拟方法,获得了车-桥系统的气动参数,并通过风-车-桥耦合振动分析方法评估了横风作用下桥上跨座式单轨轨道交通的运营性能。研究表明：在桥梁风致振动激励下,当跨座单轨车辆通过桥梁主跨时,各项指标均显著增大,车体竖向加速度及稳定轮的响应增幅最为明显;在瞬时风速35 m/s横风作用下,桥上跨座式单轨车辆走行轮的轮重减载率均在0.8限值以内,能够满足行车要求。     

强风环境下斜拉桥车桥系统动力响应分析研究

基于模态综合分析理论,在推导复杂车辆模型刚度、阻尼矩阵和建立车桥系统风荷载模型的基础上,提出一种全面考虑动力风载效应的车桥系统动力响应分析方法,结合桥例对强风环境下的斜拉桥车桥系统的动力响应进行了分析研究。结果表明:强风下桥梁竖向位移响应受风载影响显著,横向位移响应主要由风荷载控制;低风速下桥梁的振动加速度响应受风荷载影响较大;风荷载引发的桥梁振动对车辆竖向位移和加速度响应影响较大,横向响应由风载和桥梁响应控制,风载对车桥系统动力响应影响明显。所提出的方法具有较高的精度和分析效率,可为其他类型大跨桥梁的相关分析提供参考。     

风障对平行梁桥面风环境的改善作用研究

现阶段山区公路混凝土单箱梁、平行箱梁的风障设置研究存在不足。本研究采用计算流体力学(CFD)中的三维大涡模拟(LES)方法,针对不同风障布置形式下的混凝土单箱梁、不等间距平行箱梁的桥面风环境进行了研究,建立了有限体积模型。研究了来风上下游侧风障对单箱梁桥面风环境的影响,发现在单箱梁来风上游侧布置的风障能够显著降低桥面风速,而在来风下游侧布置的风障则无法起到有效的挡风作用。因此,当平行箱梁间距过大时,来风下游侧的箱梁由于缺乏上游侧风障的保护,桥面风环境恶化。针对这一问题,研究了平行箱梁内侧未加装风障时的桥面风环境,计算了车道平均风速和风速折减系数。研究发现,下游侧箱梁桥面平均风速随着平行箱梁间距的增大而增大;当间距增大到一定程度后,下游侧箱梁由于进入了上游侧箱梁尾流的充分发展区,造成下游侧箱梁桥面平均风速增高、风场紊乱。进一步研究了平行箱梁内侧加装风障后的桥面风环境,发现下风侧箱梁桥面平均风速大幅减小,上游侧梁的尾流涡对下游侧箱梁桥面风环境造成的不利影响也受到了有效的抑制。综上所述,单箱梁下风侧安装的风障不能改善桥面风环境、当平行箱梁间距超过2倍梁宽时,应在平行箱梁内侧加装风障。     

山区峡谷大跨度桥梁桥址风场试验

坝陵河特大桥位于地形特殊的山区,桥址风环境非常复杂,是我国西部山区桥址的典型代表,为了正反映桥址处风的实际状况,探索通过地形模拟风洞试验来确定桥梁设计基准风速和相关的风特性参数的方法和可靠性,为将来类似桥梁提供参考.试验研究结果表明:坝陵河特大桥在横桥向来流作用下,跨中桥面高度处风速受到“峡管效应”的增速作用;峡谷内平...     

风屏障对桥上车辆行驶安全性的影响

风屏障已成为保障大风灾害环境中车辆行驶安全性的重要措施之一。为优化风屏障设计方案,首先采用CFD模拟方法分析了风屏障设计参数对公铁组合桥梁桥面流速分布特性的影响;其次,采用风-汽车-桥梁耦合振动分析方法,进一步分析了风屏障设计参数对车辆行驶安全性的影响程度。结果表明:风屏障对保障强风区过桥车辆的安全性具有重要的意义,透风率50%、高度2m的风屏障能达到最优的防风效果。     

基于桥面不平度的车桥耦合振动分析

应用达朗贝尔原理推导了四分之一车辆模型和桥梁的振动平衡方程,采用Fourier逆变换法生成了各级桥面不平度序列,证明了Fourier逆变换法模拟桥面不平度的有效性和准确性,在此基础上应用Newmark法分析了某简支梁在考虑桥面不平度下的动力响应。研究结果表明,桥面不平度对桥梁动力响应影响很大,车辆受到的桥梁对其反作用力的频率受车速影响,从而影响到桥梁振动。     

车桥耦合振动系统模型下桥梁冲击效应研究

把桥梁和车辆看作车桥耦合振动体系的两个分离子系统,基于ANSYS软件建立了3种车辆和桥梁的有限元模型。考虑桥面不平度影响,以车轮与桥梁接触点的位移作为协调条件,采用分离迭代算法计算了车桥耦合系统的动力响应。采用快速傅立叶逆变换的方法,应用三角级数叠加模拟了5种等级的桥面不平度及其速度项。通过对一简支梁桥车桥耦合振动的数值模拟,研究了车辆模型、桥面状况和车速对桥梁冲击效应的影响。结果表明:不同车辆模型对桥梁的冲击效应差别很大,桥面不平度对冲击效应的影响较车速大,桥梁的位移冲击效应大于内力冲击效应。因此,设计分析时宜采用能充分模拟车辆特性的复杂模型,移动荷载冲击系数取值建议以位移冲击系数为基准。     

风环境下大跨度斜拉桥上的车辆驾驶舒适性评价

建立了风环境下行驶于大跨度桥梁上的车辆驾驶舒适性评价体系.在综合考虑汽车-桥梁系统空间耦合关系的基础上,提出了能够考虑桥梁的静风响应、抖振响应、汽车-桥梁耦合振动、系统的时变特性以及结构几何非线性和气动荷载非线性影响的风-汽车-桥梁系统空间耦合分析模型,该模型可以预测风环境下桥梁上通行车辆的行驶安全性及驾驶舒适性;建立了车辆驾驶员位置处驾驶舒适性评价方法,并采用ISO 2631-1-1997标准对不同路面粗糙度下行驶于杭州湾跨海大桥的车辆驾驶舒适性进行了评价.评价结果表明:路况越差,车辆的驾驶舒适性越差,且所计算工况下车辆的竖向和侧向驾驶舒适性均满足ISO 2631-1-1997标准.     

常泰长江大桥主桥风-车-线-桥耦合分析

常泰长江大桥为主跨1176 m的双塔双索面公铁两用双层斜拉桥.为研究侧风作用下该桥的动力响应以及桥上高速列车的行车安全性,采用WT TBDAS V2.0软件建立风-车-线-桥耦合分析模型,分析不同风速及车速下单、双线CRH2列车通过桥梁时车辆和桥梁的动力响应.结果表明:桥梁主跨跨中横向位移和横、竖向加速度随风速增大而增...     

阵风下高速列车-独塔斜拉桥耦合振动分析

大跨度桥梁一般较柔且桥面较高,车辆与桥梁间耦合作用明显,桥面风速较大时车辆风荷载也将增大,列车-桥梁系统抗风安全性成为重要课题.为了研究阵风环境下高速列车驶过独塔斜拉桥时的耦合振动特性,利用有限元方法建立多自由度有限元独塔斜拉桥子系统(转为线性弹性体),利用多刚体动力学方法建立CRH3四动四拖八辆编组高速列车子系统,在...     

风-浪联合作用下大跨度桥梁车-桥耦合振动分析

为研究波浪对跨海桥梁风车-桥耦合振动系统的影响,针对跨海桥梁所处风大、浪高的极端环境,建立了波浪-风-列车-桥梁动力模型,将风场视为空间相关的平稳高斯过程,高速列车采用质点-弹簧-阻尼器模型模拟,精细化全桥模型通过有限元方法建立,考虑风-列车-桥梁之间的耦合作用,波浪作为外部荷载施加到该耦合体系中。以主跨532 m某海洋桥梁为例,通过自主研发的桥梁科研软件BANSYS （Bridge Analysis System）,分析了波高、风速、车速对耦合模型车辆和桥梁响应的影响。结果表明：风车-桥耦合振动体系的车辆和桥梁响应受波浪影响显著,车辆和桥梁响应在与波浪荷载一致的方向增加显著,15 m·s^-1风速下,考虑波浪影响的车辆横向加速度最大值约是不考虑波浪时的1.3倍,考虑波浪影响的跨中横向位移最大值约是不考虑波浪时的22倍,而在非一致方向波浪对车-桥响应的影响较小;不同风速下,波浪对车辆横向加速度影响显著,考虑波浪影响的车辆横向加速度约是不考虑波浪时的1.2倍,而车辆竖向加速度、轮重加载率、倾覆系数等指标主要受风速的影响;波浪基频与桥梁横向位移响应谱主峰频率一致,波浪已成为影响桥梁横向位移响应的控制因素;波浪减弱了车速对车-桥响应的影响,随着波高的增加,车辆和桥梁响应对车速的变化更不敏感。     

跨海长桥风致行车安全研究

基于风作用下车辆模型行驶极限状态分析获得了相应的安全行驶临界风速,应用概率统计方法建立了桥位风速统计和极值风速概率分布模型,桥面风环境测速风洞试验给出了自然风与桥面行车风环境的关系,进而评估了自然风作用下车辆不同车速条件下的桥面行驶安全性。采用上述评估方法针对杭州湾跨海大桥的研究,表明了风障措施提高桥面行车安全的有效性。     

车桥耦合振动的桥面非平稳随机激励模拟

为研究桥面非平稳随机激励对车桥耦合系统的影响,采用滤波白噪声法生成单轮桥面非平稳随机激励时域模型,结合车辆前后轮的时间滞后和左右轮的相干关系,生成车辆六轮相关的桥面非平稳随机激励样本并验证了样本的有效性。分析一座3×30 m连续T梁桥和一辆三轴重载汽车在非平稳桥面激励下的车桥耦合振动响应,现场实测桥面不平度,并采用传统蒙特卡罗法对车辆和桥梁的振动响应进行计算。研究结果表明:根据车辆六轮间的时间滞后关系和相干函数关系所建立的桥面非平稳随机激励模型满足目标相干函数和功率谱密度,且时间滞后关系明确,模型有效可靠;当车辆加速行驶时,因桥面不平顺引起的非平稳随机激励信号的幅值随速度的增大而增大,非平稳激励下的桥梁和车辆振动响应大于平稳激励所产生的振动响应;非平稳激励对桥梁振动响应的均值影响很小,但对车辆振动响应均值影响较大,车辆振动对桥面随机激励更敏感;非平稳激励对车辆和桥梁振动响应标准差的影响较大,且振动响应标准差随着车辆加速度的提高而增大;研究车桥耦合振动很有必要考虑车辆非匀速行驶而引起的桥面非平稳随机激励,建议车辆匀速通过桥梁,尽量避免在桥上加速行驶。