宽幅流线型箱梁涡振性能及制振措施研究

为了抑制宽幅流线型箱梁涡激振动,以青山长江大桥（大跨度宽幅流线型钢箱梁斜拉桥）为背景,通过1:50节段模型风洞试验,在低阻尼条件下研究了主梁的涡振性能以及不同气动措施包括风嘴、检修车轨道、导流板、抑振板和检修道栏杆对涡振性能的影响.结果表明:采用外形较锐的风嘴可改善主梁的气动性能;通过改变检修车轨道位置、轨道支架高度及在其两侧设置导流板对抑制涡振效果不明显;在防撞栏杆后按隔五封一方式布置抑振板,可以使竖向涡振振幅降低45%;高透风率的圆形截面检修道栏杆可显著改善主梁的涡振性能,使涡振振幅降低63%,并且该措施不会影响桥梁美观性、便于工程应用.通过1:27大比例尺节段模型风洞试验,对高透风率圆形截面检修道栏杆的抑振措施进行了验证,结果表明该措施可有效抑制宽幅流线型箱梁涡振.      

检修车轨道导流板对流线型箱梁涡振的影响

为研究流线型箱梁的涡激振动特性及涡振抑振措施,以某大跨度钢箱梁斜拉桥为工程背景,通过1:50节段模型风洞试验研究了主梁断面涡激振动响应;采用计算流体力学(computational fluid dynamic, CFD)分析主梁断面的二维流场. 研究结果表明,检修车轨道处漩涡脱落明显,对主梁断面涡激振动性能影响较大;导流板位置从检修车轨道外侧移动到检修车轨道内侧,主梁断面升力系数均方根值减小了24%;在检修车轨道内侧设置导流板,可以有效抑制主梁涡激振动.      

中央开槽宽度对箱梁涡振特性的影响机理

设置中央开槽的箱梁通常具有良好的颤振稳定性,但该类箱梁在大攻角来流作用下的涡振性能尚不明确.采用数值模拟方法,针对某大跨度桥梁的流线型箱梁断面,分析了5种不同中央开槽宽度箱梁的流场特性和涡振稳定性能,探究了大攻角下中央开槽宽度变化对箱梁涡振性能的影响规律,并根据静态和动态流场的变化,系统讨论了相应的气动机理.研究结果表...     

流线型桥梁断面雷诺数效应

采用数值模拟方法计算了不同雷诺数苏通桥流线型断面三分力系数, 通过风洞试验研究了宽高比为10∶1的流线型桥梁断面的雷诺数效应, 分析了雷诺数对阻力系数、表面压力系数、风压功率谱及斯特罗哈数的影响, 研究了粗糙度对雷诺数效应的抑制作用。分析结果表明: 阻力系数随雷诺数的增大而减小, 雷诺数会改变表面压力系数0值出现的位置, 斯特罗哈数对雷诺数有平台区存在, 低雷诺数风洞试验测得的斯特罗哈数比实桥值小20%, 因此, 流线型桥梁断面存在明显的雷诺数效应, 且粗糙度对雷诺数效应有抑制作用。     

带输送机边主梁涡振性能及抑振措施试验研究

桥面输送机改变了边主梁的气动外形,为研究其涡振性能及抑振措施,开展了1.00∶20.00刚性节段模型自由悬挂风洞试验. 首先,研究了带输送机边主梁断面涡振性能,并测试了结构阻尼比对其的影响;其次,对比了有、无输送带边主梁的涡振性能;最后,采用风嘴、梁底稳定板、水平隔流板等气动措施对主梁断面涡振性能进行了优化研究. 结果表明:带输送机边主梁在规范要求的0°、±3° 风攻角下的涡振性能均较差,最大超出规范限值286%;桥面输送机降低了主梁的涡振稳定性,涡振响应峰值提高了44%;梁底安装稳定板有利于改善主梁的涡振性能,并且与梁底同高的稳定板制振效果随其数量的增加而更优,安装3道1.5 m下稳定板对主梁涡振抑制效果达93%;伸出梁底0.5 m的2.0 m高中央稳定板能完全抑制主梁涡振;风嘴对主梁的涡振性能影响较弱,但在一定范围内具有最优角度取值;梁底单独布置水平隔流板,涡振响应峰值降低17%;优化主梁截面采用风嘴 + 风嘴水平分流板 + 1 m宽水平隔流板,主梁涡振响应峰值降低92%,且远低于规范限值.      

几种典型的主动控制动力吸振器

主动吸振技术是振动主动控制的主要内容之一。介绍了几种目前比较广泛地应用于振动主动控制过程中的执行机构——动力吸振器的类型,并对其特点及性能进行了论述。     

双层混凝土箱梁设计及抗弯承载性能分析

双层混凝土箱梁通过取消横隔板,创造性地同时利用顶、底板作为桥面系来实现双层交通,可以充分发挥主体结构的能力。为研究双层混凝土箱梁的抗弯承载性能,根据其结构特点设计了双层混凝土箱梁模型,采用数值模拟方法对箱梁在跨中四点弯曲集中荷载作用下的受弯过程进行非线性分析,研究结构的破坏模式、荷载-挠度曲线、关键截面上的混凝土及纵筋应力变化等。研究结果表明：双层混凝土箱梁的破坏模式为弯曲破坏,其受弯破坏过程可以分为弹性阶段、弹塑性阶段、屈服破坏阶段。在跨中荷载作用下,箱梁顶板混凝土呈现出较为明显的剪力滞效应。跨中截面中腹板混凝土纵向应变沿梁高的分布基本呈线性,随着荷载的增加,截面中性轴有向上偏移的趋势。     

半开口和分离边箱开口断面主梁竖向涡振性能对比

为深入研究不同截面形式开口断面主梁的涡振性能及其发生机理,针对半开口和分离边箱开口断面2种主梁,进行了1∶50节段模型风洞试验,考虑等效质量、风攻角和阻尼比等因素的影响,计算了2种主梁断面的斯托罗哈数;基于线性和非线性理论,估算了实桥竖向涡振振幅;建立了二维数值模拟分析模型,验证了数值模拟方法的准确性,并对比了2种主梁断面周围的瞬时涡量和平均流线结构。分析结果表明：2种主梁在风攻角为3°和5°时均发生竖向涡振,且出现2个涡振区,第2个涡振区主梁竖向涡振最大振幅明显大,5°风攻角时2种主梁竖向涡振振幅比3°风攻角时大75%;风攻角为5°,阻尼比为0.8%时,分离边箱开口断面主梁竖向涡振最大振幅比开口断面大28%;随着Scruton数的增大,主梁竖向涡振的最大振幅接近线性减小,相同Scruton数工况下,5°风攻角时分离边箱开口断面主梁竖向涡振振幅最大,3°风攻角时半开口断面主梁振幅最小,说明正风攻角越大,主梁断面越钝,其涡振性能越差;5°风攻角时分离开口断面更钝,引起气流更大的分离,来流风在2种主梁断面的桥面上方和主梁开口处均形成漩涡,由于斜腹板和风嘴作用,主梁开口处尺寸较大的漩涡被打碎为几个尺寸接近的较小漩涡,优化了主梁的涡振性能。     

高速铁路简支箱梁的温差控制

针对高速铁路简支箱梁施工过程因混凝土内外温差过大出现温度裂缝的问题,提出了箱梁预应力孔道通水和内腔通风的温差控制措施.确定了混凝土温度应力场仿真参数的取值,并通过温度场仿真结果与试验结果的对比,验证了参数取值的准确性.对自然养护状态下和温度控制措施下简支箱梁温度应力场进行仿真分析的结果表明：通过温差控制措施,简支箱梁混凝土的最大压应力由支点截面段的2.77 MPa降至跨中截面段的2.21 MPa,最大拉应力由支点截面段的1.255 MPa降至跨中截面段的1.00 MPa,从而有效控制温度裂缝的产生.我国规范规定的15℃的温差限值显得过于严格,可放宽至20℃.     

悬吊双层闭口箱梁桥面风振性能

以悬吊双层闭口箱梁桥面为研究对象,通过风洞试验,针对结构静力耦合与气动干扰对悬吊双层闭口箱梁桥面风振性能影响进行了研究;采用变分模态分解方法对试验监测信号进行模态分解,识别颤振模态;通过振动形态矢量图与相位图对颤振弯扭耦合程度及弯扭相位差进行分析;根据最小二乘法识别颤振导数,基于激励-反馈原理,由颤振导数识别颤振气动阻尼。研究结果表明：在结构静力耦合与气动干扰共同作用下,下层断面发生软颤振,其竖向、扭转振动参与度系数分别为0.85、0.53,其颤振形态倾向于竖向振动;下层断面在自激气动力作用下发生颤振,自激气动力相位差减小导致颤振弯扭相位差减小为81.29°,而上层断面在结构耦合力作用下发生强迫振动,结构耦合力相位差决定上层断面弯扭相位差为100.81°;下层断面竖向振动气动阻尼主要来源于竖向速度自激升力负阻尼以及弯扭速度通过激励反馈所产生的耦合升力负阻尼,分别为60%和40%;下层断面转振动气动阻尼主要来源于扭转速度自激升力矩正阻尼以及弯扭速度通过激励反馈所产生的耦合升力矩正阻尼,分别为45%和50%。可见,对于悬吊双层闭口箱梁桥面,下层断面在竖向振动气动负阻尼驱动下发生偏于竖向振动形态软颤振,下层断面软颤振诱发悬吊双层桥面振动系统整体发生弯扭耦合软颤振。     

高架轨道箱梁结构振动试验模型设计与校验

基于π定理和量纲分析法,推导了某32 m高架轨道箱梁结构缩尺模型与原型物理量之间的相似关系,并通过建立动力仿真模型进行计算,验证了相似关系的准确性;以该相似关系指导设计,并通过合理选材,制作了几何相似比为10∶1的轨道箱梁结构缩尺试验模型;通过激振试验获取了缩尺试验模型的模态频率、振型和加速度响应,并与有限元仿真结果对比,验证了缩尺试验模型的有效性;在此基础上利用该缩尺试验模型研究了轨道箱梁结构的振动传递特性。研究结果表明：高架轨道箱梁缩尺模型与原型结构前10阶模态频率误差均小于1%,且由缩尺模型计算结果反演的加速度响应曲线与原型结果趋势一致,模型与原型之间相似关系推导正确;缩尺试验模型实测模态频率与有限元仿真结果的误差均在8.8%以内,各阶模态振型吻合,且实测加速度响应随时间变化趋势与有限元仿真结果一致,制作的高架轨道箱梁结构缩尺试验模型有效;当振动在轨道结构中传递时,扣件和橡胶层对1 000 Hz以上的高频振动具有明显的衰减作用;当振动由箱梁顶板向底板传递时,顶板加速度导纳最大,翼板次之,其次是腹板,底板加速度导纳最小;设计制作的高架轨道箱梁结构缩尺试验模型能够反映原型振动响应的一般传递规律,可用于轨道箱梁结构振动传递特性与控制关键技术研究。     

混凝土箱梁水化热温度损伤修正耦合方法

为了防止混凝土箱梁墩顶块在施工过程中出现早期开裂与温冲现象, 研究了混凝土水化热温度损伤模型, 综合考虑混凝土弹性模量与边界条件的时变效应, 采用线性迭代方法, 建立了混凝土箱梁墩顶块水化热温度损伤修正耦合方法, 计算了水化热温度损伤场随时间变化的过程, 得到了水化热温度损伤时程关系曲线, 分析了温度损伤时变效应规律。计算结果与实测结果对比表明: 混凝土箱梁水化热温度偏差小于10%, 水化热温差峰值比水化热温度峰值滞后约32h, 等效应变峰值与温差峰值发生时间相同, 水化热温度损伤度与等效应变成正比, 时变效应规律一致, 因此, 此方法可行。     

大跨径简支转连续箱梁桥收缩徐变效应

利用杆系有限元模型计算了大跨径简支转连续箱梁预制和施工过程中的应力分布和线形变化, 研究了预应力束二次张拉对收缩徐变的作用。以6×70m连续箱梁为例, 按照老化理论原始算法、老化理论修正算法、JTJ023—85规范附录算法与JTG D62—2004规范附录算法, 进行了收缩徐变效应对简支状态和连续状态下箱梁结构应力和变形影响的对比分析。分析结果表明: 不同算法的收缩徐变效应对各跨跨中或支点应力影响的最大差值均在15%以内, 对边跨、次边跨、中跨跨中挠度影响的最大差值分别为36%、79%、54%, 其中JTJ023—85规范附录算法计算的挠度最小, JTGD62—2004规范附录算法计算的挠度最大, 也最接近实测挠度, 因此, 收缩徐变理论的计算分析结果可靠。     

波形钢腹板组合箱梁自振特性与试验研究

为了精确计算波形钢腹板组合箱梁的振动频率, 根据能量变分原理, 推导了振动频率公式, 得到了考虑剪切变形及剪力滞效应的各阶自振频率的解析解。对一试验波形钢腹板组合箱梁进行了动力测试, 得到了实际自振频率, 并与简单梁理论、本文理论公式与三维有限元模型的计算频率进行对比。结果表明: 剪力滞效应及剪切变形对波形钢腹板组合箱梁的振动频率影响较大, 考虑剪力滞及剪切变形影响后的波形钢腹板组合箱梁的振动频率有所降低, 且降低程度随着计算频率阶次的增加而迅速增加, 因而在波形钢腹板组合箱梁振动频率的计算中须计其影响。     

钢箱梁桥面沥青混合料燃烧温度荷载与效应分析

为研究在火灾作用下钢箱梁与桥面铺装结构热效应,建立了小尺度钢桥面燃烧试验台,获取了油料火灾作用下沥青铺装层的上表面、中部和下表面温度数据;针对上表面温度数据,拟合得到了一条基于燃烧试验数据的升温曲线,与ISO 834标准升温曲线进行对比,并对小尺度试验的温度场进行了数值模拟验证;建立了11.25 m×3.60 m的钢箱梁桥有限元模型,获取了桥梁在跨中、支座附近和全跨火灾工况下的应力和变形特征。研究结果表明：在试验拟合升温曲线的作用下,二维数值模拟试件的中部温度260.70 ℃和底部温度89.38 ℃与试验数据248.90 ℃和82.59 ℃相近,且升温趋势较一致,说明温度场数值模拟结果可靠;火灾荷载作用区域钢箱梁顶板温度下降最高可达60.91%,表明沥青混合料铺装层能在一定程度上阻挡温度传递;跨中、支座火灾工况下钢箱梁最大Mises应力均出现在火荷载向低温扩散传播的冷热交替区域;跨中火灾工况在火荷载区域出现上挠变形,而支座火灾工况分别在火荷载区域和跨中区域出现上挠和下挠变形;全跨火灾Mises应力分布较均匀,跨中下挠变形严重;3种火灾模式下,基于试验拟合升温曲线的应力和变形数据均滞后且低于ISO 834标准升温曲线。