悬带桥设计与施工

悬带桥是湖南省交通科研所大跨度研究课题之一,是一种新的桥型。本文对悬带桥的发展、结构构思、设计方法、施工程序等进行了比较详细的介绍。     

扁平箱梁断面弯扭耦合软颤振非线性特性研究

针对大跨度桥梁软颤振非线性特性,采用弹簧悬挂节段模型风洞试验法,研究了典型扁平箱梁断面（宽高比10.7：1）在均匀流场下的软颤振响应,并采用一种新型的高精度测力技术——内置天平同步测力测振法测量了非线性颤振自激力时程,该测力技术可大幅降低天平信号中的惯性力成分,提高自激力的测量精度。试验结果表明：扁平流线型箱梁断面在风攻角5°、±3°和0°时均出现了软颤振响应,观测到的软颤振现象表现为自限幅的极限环振荡,振幅随着风速的增加而增大,随着风攻角的增大,软颤振起振风速降低,振幅增加的斜率变缓;软颤振振动出现在扭转模态,竖向和扭转位移均存在一定的高次谐波成分,但与基频相比较为微弱,可以忽略;扁平箱梁断面的软颤振具有显著的弯扭自由度耦合特性,弯扭耦合程度随风速增加而增大,在软颤振振幅发展过程中,节段模型仍然以线性扭转复模态的形式振动,扭转复模态向量的幅值变化较为明显（约15%）,需要考虑其随振幅的缓变特性,相位特性变化非常微弱（相位差变化小于3%）,可以忽略。基于内置天平同步测力测振技术,测量得到的非线性自激力信号能够较为精确地计算软颤振振动位移时程,具有较高的精度,自激升力和自激扭矩均在大振幅下表现出显著的高次谐波成分。     

大跨悬索桥颤振主动控制面理论研究

为改善大跨度跨海连岛工程中悬索桥在设计风速下的气动稳定性,针对单纯采用传统被动气动措施有时难以满足桥梁抗风需求的问题,探讨了主动控制面在悬索桥颤振控制中的应用.针对传统主动控制面理论模型中假定迎风侧、背风侧控制面只能同相或反相于主梁扭转运动的问题,将控制面扭转运动相位、振幅引入主动控制面理论计算模型中,以1座主跨3 000 m的悬索桥为例,分析了控制面扭转运动相位、振幅对其控制效果和鲁棒性的影响,并探讨了控制面的抑振机理.研究结果表明:迎风侧控制面只有在领先于加劲梁扭转运动超过180°后才会起到明显的控制效果;控制面扭转运动最优相位角不依赖于其扭转运动振幅,且有较好的鲁棒性;控制面通过主动调整控制面的扭转运动相位从而改变作用在其上的自激升力方向,产生反向于加劲梁上自激升力矩的力偶,最终起到颤振控制的效果.     

特大跨径桁架加劲梁桥颤振稳定性气动优化措施风洞试验研究

以某特大跨径桁架加劲梁悬索桥为例,利用节段模型风洞试验,探讨研究桥面板中央开槽孔、加裙板、气动翼扳等各种气动控制措施对颤振临界风速的影响。试验结果表明,桥面板中央开槽、设置裙板、气动翼板都能够使桁架加劲梁桥颤振稳定性得到改善,但是都不能使各个攻角下的颤振临界风速都有所提高。气动翼板和桥面板中央开槽组合气动措施,且气动翼板的安装位置在桁架加劲梁弦杆,是最优化气动措施组合,可为类似大跨度桁架加劲梁桥抗风设计做参考。     

大跨径悬索桥颤振稳定性的参数研究

颤振稳定性已成为影响和控制大跨径悬索桥设计的一个重要问题。运用大跨径桥梁三维非线性颤振分析方法，以润扬长江大桥为背景，对一些设计参数，如桥跨布置、矢跨比、边主跨比、加劲梁的高度和恒载集度等，进行了颤振的参数分析，并指出了影响大跨径悬索桥颤振稳定性的主要设计参数。     

结构变形效应对大跨径悬索桥颤振的影响研究

大跨径悬索桥对风的作用非常敏感，桥梁在风荷载的作用下将产生重大变形。由变形引起的结构动力特性以及空气力的非线性变化效应将会对大跨径悬索桥的颤振产生不容忽视的影响。基于结构的变形后状态，充分考虑结构变形引起的非线性效应，建立了大跨径桥梁颤振分析的三维非线性方法及其计算程序。结合某悬索桥进行了颤振分析和研究，并揭示了结构变形产生的非线性效应对大跨径悬索桥颤振影响的程度和机理。     

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。     

大跨度悬索桥施工阶段颤振稳定性研究

运用大跨度桥梁三维非线性颤振分析方法，对宜昌长江大进行了施工阶段加劲梁对称和非对称架设情况的颤振分析，探讨了施工阶段悬索桥颤振稳定性的变化规律、不同施工方法以及非线性因素对施工阶段县索桥颤振稳定性的影响。     

大跨度悬索桥的颤振稳定性研究

颤振稳定性是大跨度悬索桥设计中倍受关注的重要问题。运用大跨度桥梁的三维非线性颤振分析方法,以润扬长江大桥为背景,对影响悬索桥颤振稳定性的一些设计参数如桥跨布置、矢跨比、边主跨比、加劲梁的高度、恒载集度及其支承体系等进行了分析,指出了影响大跨度悬索桥颤振稳定性的主要设计参数,并探讨了具有良好抗风性能的大跨度悬索桥合理结构体系。     

大跨度悬索桥中央开槽箱梁断面的颤振性能

以建成后将成为世界最大跨径的钢箱梁悬索桥——西堠门大桥为例，通过节段模型风洞试验、CFD数值模拟和理论计算对中央开槽箱梁断面的颤振稳定性能进行研究，分析了开槽宽度和箱梁内外侧局部气动外形的改变对中央开槽箱梁断面颤振稳定性能的影响。研究结果表明：开槽宽度对中央开槽箱梁断面的颤振稳定性能影响显著；箱梁内外侧局部气动外形的改变也会对结构颤振性能产生一定的影响，而且影响规律更为复杂。     

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。     

大跨窄悬索桥抗风措施及其优化研究

在介绍新疆赛吾迭格尔桥梁为工程背景的基础上,提高了悬索桥颤振临界风速的各类抗风措施,研究了适合大跨窄悬索桥的抗风稳定性设计,并对所采取的结构措施进行了优化,确定了综合抗风措施。通过进行节段模型风洞试验和全模态颤振分析,结果表明通过采用抗风缆、中央扣、桥面栏杆参与主梁刚度等结构抗风措施可明显提高大跨窄悬索桥的加劲梁刚度和扭转基频,可明显提高大跨窄钢桁架悬索桥的颤振临界风速。研究表明,桥梁抗风措施的选择,首先要考虑适合该桥使用功能,符合建桥的经济条件,同时参考相关桥型的抗风设计经验,确定初步抗风措施,接着进行动力特性分析,优化所选方案,最后通过风洞试验确定该抗风措施的有效性。     

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。     

不确定气动干扰效应影响下并列大跨度桥梁颤振导数识别方法

将处于自然风中一前一后并列布置的大跨度桥梁相互之间可能存在的不确定相互气动干扰处理成随机气动干扰,并归入到紊流风随机激励中,采用基于模态参数识别的随机子空间识别方法,开发了桥梁断面颤振导数识别的专用程序,并以具有理论解的Theodorsen平板为例,通过系统响应数值仿真和颤振导数识别,验证了该方法的可靠性。针对实际大跨度桥梁,设计了并列节段模型试验悬挂系统,开展了紊流风和随机气动干扰效应下的并列大跨度桥梁节段模型风洞试验,将迎风、背风侧桥梁断面的颤振导数结果与均匀流、紊流风中单个桥梁断面颤振导数值进行了对比。结果表明:背风侧桥梁对迎风侧桥梁的颤振导数影响很小,而迎风侧桥梁对背风侧桥梁的颤振导数有较大影响;该研究方法为存在这种随机气动干扰的并列大跨度桥梁颤振导数识别提供了一个较为合理的途径。     

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。     

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％。