基于CFD的大跨度钢桁梁悬索桥抗风性能分析

为研究钢桁梁悬索桥主梁截面气动性能及大跨度悬索桥抗风性能,以某桁梁式大跨度悬索桥结构为工程背景,采用CFD数值模拟方法,开展大跨度悬索桥桁架式主梁截面气动力参数的简化分析,并对大跨度悬索桥颤振和抖振特性进行了研究。研究结果表明:采用简化的板桁主梁CFD分析模型,将三维结构等效为二维平面,有效地降低了建模难度和计算工作量;根据颤振分析结果,颤振风速为50. 5m/s小于颤振临界风速为124. 2m/s,颤振性能良好;由成桥状态下脉动风作用下桥梁抖振响应结果,桥梁在风致抖振作用下性能良好,结构具有良好的气动性。     

基于风致静动力稳定性的超大跨径桥梁主梁比选研究

为寻求适用于超大跨度桥梁的具有更优气动特性的主梁断面,推动我国超大跨桥梁建设的发展,针对超大跨度桥梁原型设计中提出的5种主梁断面形式,采用CFD数值模拟方法计算得到了各断面的静力和动力气动参数,并进一步计算了对应5种主梁断面桥梁的静风失稳临界风速及颤振临界风速,对比了各断面的静动力稳定性能.结果表明,分离双箱主梁和分离3箱主梁的气动性能优于其他类型主梁断面;单箱主梁和双箱主梁气动特性目前已得到较大程度的优化,3箱主梁气动特性应具有较大的优化空间,椭圆形主梁及重力式主梁气动性能较差,优化价值有限.     

基于流固耦合的加劲梁上部翼板颤振主动控制分析

针对目前悬索桥加劲梁气动翼板颤振主动控制数值计算方法的局限性,提出采用流固耦合方法对加劲梁上部气动翼板的颤振控制进行分析。通过对Fluent软件二次开发,建立加劲梁-气动翼板系统流固耦合数值仿真计算模型,分析桥梁的颤振性能。以大贝尔特东桥为背景,采用流固耦合方法分析加劲梁上部设置气动翼板前、后该桥的颤振临界风速,研究气动翼板角速度对颤振临界风速的影响。结果表明:该桥颤振临界风速的数值仿真计算结果(72.0~74.0m/s)和节段模型风洞试验结果(70.0~72.9m/s)吻合较好;加劲梁上部设置气动翼板后,当前气动翼板与加劲梁扭转方向相反、后气动翼板与加劲梁扭转方向相同时,能显著提高加劲梁颤振临界风速;加劲梁最大扭转角随气动翼板角速度的增大逐渐减小。     

气动力矩阵和气动导数对桥梁颤振稳定性的影响

采用集中气动力矩阵和一致气动力矩阵2种不同形式的气动力矩阵,并利用4种不同截面的气动导数研究了气动力矩阵对颤振临界状态的影响;采用理想平板的气动导数研究了各气动导数对颤振临界状态的影响。结果表明:采用集中气动力矩阵可降低颤振临界风速,使结果偏于保守;各气动导数对量纲一的风速和颤振临界风速均有一定影响,而对颤振频率影响较小,从而进一步证实了采用流线型断面形式的桥梁,其颤振形态是弯扭耦合的经典颤振。     

扁平钢箱梁颤振气动措施试验研究

为了研究不同颤振气动措施对扁平钢箱梁的颤振稳定性的影响,通过一大跨悬索桥扁平钢箱梁节段模型风洞试验,分别研究了设置上中央稳定板、封隔不同位置护栏、改变检修道护栏透风率3种措施对主梁颤振临界风速的影响,并利用静三分力与颤振导数的关系对颤振控制特性进行了研究.结果表明:单独设置合适高度的上中央稳定板可以有效提高断面的颤振临...     

基于CFD的大跨度钢-混组合梁斜拉桥抗风性能分析

为阐明钢-混组合梁形式的斜拉桥抗风性能,以某钢-混叠合梁大跨度斜拉桥为工程实例,采用基于CFD方法的数值模拟,开展大跨度斜拉桥钢-混叠合梁式主梁截面气动力参数的计算分析,同时研究了大跨度斜拉桥颤振和抖振特性。研究结果表明:根据颤振分析结果,颤振风速为63.7m/s小于颤振临界风速为97.6m/s,颤振性能良好;由抖振响应分析结果可知,桥梁具有良好的风致振动性能。     

扁平箱梁颤振计算公式中联合折减系数的量化研究

扁平箱梁已广泛应用于大跨度桥梁的主梁设计中,其颤振性能通常会借助物理和数值风洞的方法获得,测试周期长、费用高。尽管采用颤振计算公式可以简便计算扁平箱梁的颤振临界风速,但当前公式中未考虑扁平箱梁气动外形和来流攻角的具体影响,计算误差较大,无法用于实际工程设计。为了提升颤振计算公式中联合折减系数的准确度,利用节段模型风洞试验开展气动外形和风攻角对扁平箱梁颤振性能影响的研究。在分析各种气动构件和外形参数对扁平箱梁颤振性能的影响后,确定以斜腹板倾角和宽高比为气动外形变量,设计制作3组12个节段模型,分别在5个风攻角下测试了有栏杆扁平箱梁的颤振性能。在此基础上,根据节段模型风洞试验获得的颤振临界风速,结合弯扭耦合颤振闭合解计算公式,量化了气动外形和风攻角变化对扁平箱梁颤振的影响,给出不同条件下扁平箱梁颤振计算公式中的联合折减系数。最后,基于实际桥梁的颤振临界风速算例,验证利用联合折减系数计算颤振临界风速的准确性和适用性。研究结果表明：在0°风攻角和正风攻角下,当扁平箱梁的宽高比分别为11,9时,斜腹板倾角的减小有利于颤振临界风速提高,宽高比为7时,斜腹板倾角对颤振临界风速没有影响;在负风攻角下,3组宽高比模型斜腹板倾角的减小均会引起扁平箱梁颤振临界风速的降低;联合折减系数与扁平箱梁截面的颤振性能正相关,可直接反映其颤振性能,相对于目前《公路桥梁抗风设计规范》中扁平箱梁颤振临界风速计算时的固定折减系数,该系数能够具体和准确反映气动外形和风攻角对扁平箱梁颤振的影响,可以结合颤振计算公式快速、准确地计算出大跨度桥梁颤振临界风速。     

大攻角下超大跨度斜拉桥颤振性能节段模型风洞试验

为了研究一座1 400 m跨径流线型闭口箱梁断面斜拉桥的颤振性能,根据其风致静力失稳或颤振前主梁最大有效风攻角已接近±10°的特点,通过弹簧悬挂节段模型试验,开展了大攻角下桥梁颤振性能研究。试验发现,在4°~10°风攻角下,高风速时模型均出现了弯扭耦合程度较弱的自限幅非线性颤振现象;而在其他攻角下,高风速时模型则表现为常规的发散型弯扭耦合颤振。研究发现,经典的线性颤振理论无法适用于研究试验中大攻角下出现的非线性颤振现象。因此,采用了一种简化的非线性半经验数学模型来表示非线性颤振中的自激扭矩,并从试验模型颤振位移时程中识别得到了模型参数。基于这一非线性自激力模型,通过试验测得的位移信号来构造自激扭矩时程,再利用自激扭矩的做功时程来识别各个气动参数。之后,利用其中的部分气动参数构造气动阻尼,并基于结构阻尼系数与气动线性阻尼系数之和为零的判断条件,提出了一种针对非线性颤振现象的临界风速确定方法,同时将线性和非线性颤振的起振判断条件进行了很好的统一。研究结果表明,利用这一方法求得的颤振临界风速与风洞试验中出现的现象基本吻合。     

基于数值风洞的大跨简支叠合梁悬索桥抗风性能研究

抗风性能是大跨悬索桥结构设计和建造过程中的主要控制因素之一。某主跨420 m悬索桥采用箱型双主梁+钢横梁+混凝土桥面板的叠合梁形式,主梁宽38.0 m,高2.5 m,为准确把握该大跨简支叠合梁悬索桥的抗风性能,采用数值风洞技术进行了系统研究。结合规范给出了设计风参数,应用大型动力有限元程序计算了动力特性,采用计算流体动力学(CFD)方法计算了主梁断面的静气动力系数和气动导数,进行了颤振和涡激共振稳定性研究及成桥风振响应分析。结果表明:该大跨简支叠合梁悬索桥具有较好的颤振和涡激共振稳定性,且成桥状态风振响应满足规范要求。     

封闭式扁平钢箱梁颤振稳定性气动优化措施风洞试验研究

以某大跨度悬索桥封闭式扁平钢箱梁为例,利用节段模型风洞试验,研究风嘴、导流板、栏杆、导轨对颤振临界风速的影响。试验结果表明,导流板、风嘴和栏杆透风率对颤振临界风速影响显著,栏杆位置和导轨位置对颤振临界风速影响不大,最终确定了一种气动外形较优方案,为类似钢箱梁抗风设计提供了借鉴经验。     

气动翼板抑制悬索桥颤振的物理机理

从能量的角度研究气动翼板控制悬索桥颤振的物理机理。基于弯扭二模态耦合颤振系统,分别推导了气流由主梁和一对气动翼板输入系统的能量以及结构阻尼耗散能量的表达式。以某跨海方案桥为例进行了研究,结果表明：气动翼板能有效耗散气流由主梁输入系统的能量,桥梁颤振临界风速提高达30％。     

基于CFD数值模拟对大跨桥梁主梁断面颤振研究

随着桥梁设计跨度增大,结构对风荷载作用极为敏感。采用CFD数值模拟方法研究桃花峪黄河大桥主梁断面颤振问题,根据分状态强迫振动法给出了颤振导数识别方法建立了数值计算模型,经计算得出结论:在+5°风攻角下造成竖向振幅为0.03 m所需风速约为13.2 m/s,在+3°风攻角下造成相同竖向振幅所需风速约为14.2 m/s;在+5°风攻角下造成扭转振幅为6°所需风速约为13.1 m/s,在+3°风攻角下造成相同扭转振幅为6°所需风速约为14.0 m/s,风攻角是颤振重要因素;经模拟气动流场得到主梁结构在0°、+3°及-3°攻角下颤振临界状态涡量变化情况可知随着风速增大涡量图为一对细长互不干涉正负涡量逐步增大至正负交替漩涡,在尾流处耦合成2个相互交替大漩涡。     

钢桁梁断面大幅后颤振结构和气动阻尼非线性特性风洞试验

通过大振幅的自由振动风洞试验，研究典型钢桁主梁断面节段模型单自由度扭转和两自由度竖向扭转系统的后颤振特性，量化结构和气动阻尼随振幅的非线性演化规律，并从该角度揭示钢桁主梁断面发生极限环颤振的机制；通过对比单自由度和两自由度系统的颤振行为，分析了竖向自由度对非线性极限环颤振的影响，并揭示其影响机制。此外，进一步探究了结构阻尼和弯扭频率比对非线性极限环颤振的影响。研究结果表明：结构阻尼和气动阻尼对振幅的依赖性是诱发非线性极限环颤振的主要原因；相对单自由度系统，竖向自由度的参与向两自由度系统引入了一个偏线性的竖向耦合气动负阻尼，会降低系统的稳定性，使得两自由度系统的颤振临界风速低于单自由度系统，同时也使得极限环颤振振幅大于单自由度系统，因此颤振分析中不可随意忽略竖向自由度；增加结构阻尼能够显著提升钢桁主梁断面的颤振临界风速，并降低后颤振极限环振动的振幅。     

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.     

1400m跨径钢箱梁斜拉桥方案颤振控制气动措施试验研究

为寻找合理可行的颤振控制气动措施,使超千米跨径斜拉桥的颤振临界风速超过80m/s,以主跨1 400 m的钢箱梁斜拉桥设计方案为背景,通过节段模型风洞试验对中央稳定板、中央开槽、悬臂水平分离板、风嘴锐化等各种超千米斜拉桥颤振控制气动措施的效果进行了研究.研究表明:1.5 m悬臂水平分离板加40°锐化风嘴角的颤振控制组合气动措施,能够显著改善桥梁的颤振性能、实现颤振临界风速不低于80 m/s的目标;从颤振稳定性角度验证了1 400 m斜拉桥方案的可行性;超千米斜拉桥的颤振稳定性的富余度往往不高,设计必须考虑斜风效应的不利影响.     

双主跨悬索桥颤振稳定性试验

以某双主跨悬索桥为背景,进行了动力特性有限元分析和全桥气弹模型颤振风洞试验。分析了主要模态的自振频率、振型、等效质量和模态之间的相似关系;在风洞试验中测试了不同风攻角和风偏角下的颤振临界风速,并观测了颤振形态的演化规律;从结构模态出发,对颤振形态进行了分析和讨论。结果表明:在颤振临界风速下,桥梁结构由反对称扭转振动经两跨交替扭转振动,过渡到对称扭转振动发散;由于双主跨悬索桥不存在单跨半正弦波双跨对称的竖弯模态,传统的利用零风速时的多模态来描述和解释非分离流扭转颤振的方法无法应用于双主跨悬索桥;传统的需事先挑选模态的多模态颤振分析方法不能应用于双主跨悬索桥颤振数值分析。     

Maputo桥静动力稳定性能的主梁选型研究

为了寻求Maputo大桥较佳气动性能的主梁,针对设计提出的三种方案,采用风洞试验和数值计算相结合的方法,获得三种方案的静风失稳临界风速以及颤振临界风速,对比分析了各主梁的静动力稳定性能。静风稳定性计算结果表明,三种主梁的静风失稳形态均表现为弯扭空间耦合,其中,钢箱叠合梁静风稳定性最优,静风响应也较小;颤振试验结果表明,三种主梁的颤振稳定性均不满足要求,钢箱叠合梁颤振稳定性相对更好;通过在钢箱叠合梁上设置水平导流板,可使其满足颤振要求。     

开口叠合梁断面气动性能的试验研究

钢-混叠合梁开口断面由于其外形的钝体特征,易出现气动稳定性问题,为了有效抑制开口断面的颤振和涡振,对其断面外形进行优化,以4座采用钢-混叠合梁开口断面的桥梁(鄱阳湖大桥和香溪河大桥为双塔斜拉桥,鳌江四桥为独塔斜拉桥,鹦鹉洲长江大桥为三塔悬索桥)为例,通过有限元计算和节段模型风洞试验研究其动力特性,分析开口断面的颤振性能和涡振性能,并寻找合理有效的抑振措施。结果表明:增加风嘴可以显著提高断面的颤振稳定性;下表面增设稳定板可以显著提高颤振临界风速;增加风嘴可以有效抑制开口断面的涡振,增大风嘴结构尺寸后抑振效果更加明显,开口断面增设挑梁结构可以显著改善涡振稳定性。     

山区超高塔斜拉桥主梁断面气动选型风洞试验研究

π形主梁断面气动稳定性较差是限制其在大跨度桥梁中广泛应用的重要原因之一。以某拟建山区大跨度超高塔结合梁斜拉桥为背景,通过风洞试验对比研究了2种π形主梁断面形式的气动三分力系数、涡振性能和颤振性能。试验结果表明,宽高比较大的主梁断面其气动三分力系数的稳定性较好;桥面附属设施降低了断面的流线性,减小了涡振起振风速,易引起断面扭转涡振。通过对2种断面气动性能的综合比较,宽高比较大、横梁高度较小的主梁断面气动性能更优。     

流线型钢箱梁涡激振动机理与气动控制措施

以某主跨390 m的独塔流线型钢箱梁斜拉桥为工程依托，采用风洞试验与计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）相结合的方法对流线型钢箱梁涡激振动机理与气动控制措施进行研究。首先，采用几何缩尺比为1∶30的主梁节段模型进行主梁涡振性能与气动控制措施优化研究；其次，采用CFD方法对主梁涡振响应进行流固耦合计算，将Newmark-β算法嵌入ANSYS Fluent用户自定义函数（User Defined Functions，UDFs）实现主梁结构振动响应求解，同时结合动网格技术实现主梁断面流固耦合分析；并根据判断条件来检索箱梁壁面上的网格单元，以获得主梁断面振动过程中的表面压力，然后结合主梁结构振动响应、表面压力以及流场特征等对主梁涡激振动机理进行分析。结果表明：该桥主梁原设计方案存在涡激共振现象，将梁底检修车轨道内移120 cm可有效抑制主梁涡振响应；主梁涡激振动响应的数值模拟结果与风洞试验结果吻合较好；检修车轨道内移120 cm后主要改变了箱梁下表面平均压力系数分布特性，且箱梁表面各测点脉动压力卓越频率不一致，有效减小了主梁涡激振动响应；流线型箱梁靠近迎风侧的“被动区域”对结构涡振响应贡献较小，背风侧“驱动区域”发生周期性旋涡脱落是影响流线型箱梁涡振的主要因素。