水中悬浮隧道锚索的非线性涡激振动研究

建立了水中悬浮隧道锚索在波流场中涡激振动的非线性数学模型,考虑了锚索的几何非线性对其涡激振动的影响,并应用有限差分法求解了锚索的运动控制方程。计算结果表明:锚索在顺流向和横向2个方向运动的耦合作用特别是几何非线性作用的引入,抑制了部分高阶模态的激发,使锚索横向涡激振动的振幅减小,顺流向振动的振幅增大;在悬浮隧道的振动引起的强迫激励和参数激励作用下,锚索顺流向涡激振动振幅显著增大,横向涡激振动出现"拍"的现象。     

西江特大桥平台钢管桩涡激振动简析及对策

文章介绍了西江特大桥平台钢管桩涡激振动的产生机理及解决对策。西江为季节性河流,汛期来临时湍急的洪水使平台钢管桩处于持续不断的流动及尾涡作用之下,当钢管桩后漩涡脱落的频率和钢管桩的固有频率接近时,将引起钢管桩的涡激共振,当此共振与结构发生"锁频"时就会造成结构破坏。在理论上简单介绍了涡激响应的数学模型。针对西江特大桥平台钢管桩实际发生的涡激振动现象,提出了合理的解决措施并应用于实际,经检验达到了消除共振的效果;并对来年洪水冲击可能产生的涡激振动提出了几点预防措施。     

基于改进尾流振子模型的超长拉索涡激振动特性数值研究

为了研究大跨度斜拉桥超长拉索在不同流场特性下的高阶多模态涡激振动问题，以牛顿定律为基础，建立了考虑张力变化以及垂度效应的拉索结构振子方程，引入改进的Van Der Pol式尾流振子模型，以加速度耦合两非线性振子，提出了一种简便的拉索涡激振动流固耦合预报模型；采用二阶中心差分法，对两振子方程在空间域和时间域进行离散迭代求解，编制了拉索涡激振动的MATLAB计算程序，并验证了其可靠性。该方法为研究拉索涡激振动提供了一种新思路，可解决风洞试验和数值软件（CFD）不便模拟大长细比拉索结构的问题。基于提出的预报模型，以1根330 m超长拉索为研究对象，分析了拉索多模态涡激振动特性，探讨了不同流场特性对拉索涡激振动的影响。研究结果表明：均匀流作用下，拉索发生涡激锁定现象，以单一模态发生振动，随着风速的增加，拉索涡激锁定区间增大而最大振幅不发生改变；剪切流作用下，拉索发生多模态涡激振动，位移响应呈现"拍"的特点，振动频率分布在Strouhal涡脱频率范围内，存在2个或3个主导频率，主导频率全程参与振动，非主导频率间歇参与振动；拉索多模态涡激振动位移响应表现为行波-驻波并存的状态，随着风剖面指数的增加，涡激振动行波效应显著。     

大跨度桥梁主梁涡激振动影响因素研究进展

现代大跨桥梁跨度更大、结构更轻柔、自振频率较低且密集,在较低风速下主梁易发生涡激振动现象。涡激振动是一种带有自激、自限特性的非线性振动,影响涡激振动响应的因素较多如雷诺数效应、紊流特性及主梁断面形式等。介绍了近期大跨度桥梁主梁涡激振动影响因素的研究进展,为抗风设计及抑振措施提供参考。     

大跨桥梁主梁涡激振动影响因素研究进展

现代大跨桥梁跨度更大、结构更轻柔、自振频率较低且密集,在较低风速下主梁易发生涡激振动现象。涡激振动是一种带有自激、自限特性的非线性振动,影响涡激振动响应因素较多如雷诺数效应、紊流特性及主梁断面形式等。本文介绍了近期大跨度桥梁主梁涡激振动影响因素研究进展,为抗风设计及抑振措施提供参考。     

三塔双跨叠合梁斜拉桥抗风性能研究

叠合梁断面为典型钝体截面,容易出现气动不稳定问题。为研究三塔叠合梁斜拉桥的抗风性能,以某三塔双跨叠合梁斜拉桥为例,通过有限元软件建立桥梁成桥状态和最大双悬臂施工状态有限元模型,计算分析其动力特性,再进行节段模型风洞试验研究桥梁在-5°、-3°、0°、+3°和+5°风攻角下的颤振稳定性和涡激振动性能。研究结果表明:该三塔双跨斜拉桥颤振临界风速大于颤振检验风速,具有良好的颤振稳定性;成桥状态出现了较为明显的涡激振动现象,在低风速区涡激振动幅值小于规范允许值;虽然在高风速区涡激振动幅值超过了规范允许值,但是出现概率很低,对桥梁安全和使用性能不会造成明显影响;施工状态涡激振动幅值远低于规范限制,涡振性能良好。     

水中悬浮隧道管段锚索耦合模型涡激振动研究

为了分析水中悬浮隧道在水流作用下的动力响应,通过Hamilton原理推导得到了悬浮隧道管段和锚索的运动控制方程;同时引入锚索横向和轴向变形之间的耦合作用,建立了悬浮隧道的动力响应模型,并考虑锚索发生顺流向涡激振动的影响,在时间域内求解运动控制方程.计算结果表明:若锚索长细比很大,则锚索横向和轴向变形之间的耦合作用不可忽略;锚索发生顺流向涡激振动时,结构的横荡和横摇响应幅值增大,但垂荡响应基本不受其影响.     

施工态下塔吊对钢桥塔涡激振动影响的风洞试验

施工中的钢桥塔,特别当桥塔主体工程完成,而主缆尚未架设时,易发生风致振动。为了研究施工状态下,塔吊对钢桥塔风致振动的影响,以某大跨度斜拉桥钢桥塔和塔吊组合体系为实际工程背景,采用风洞试验方法,在均匀流场中测试了裸塔状态下和桥塔与塔吊组合体系下各自的风致振动响应,并将两者的测试结果进行对比分析。研究结果表明:裸塔状态下的钢桥塔气弹模型在0°风向角下会出现较为明显的大幅顺桥向涡激振动现象,随着风速的增长,当风速达到47 m/s后,裸塔状态下的钢桥塔气弹模型会发生大幅的发散性驰振现象。另一方面,随着风向角度的增加,钢桥塔风致振动响应降低较为显著,没有发生较为明显的涡激振动和发散性驰振现象。在所有试验风向角工况下,钢桥塔和塔吊组合体系状态在均匀流场中的风致振动响应相比钢桥塔裸塔状态显著减小,并且未发生明显的涡激振动和驰振现象,这表明塔吊的存在会明显抑制钢桥塔的风致振动响应。今后在考虑施工态下风荷载对钢桥塔施工安全的影响时,不仅应考查裸塔状态钢桥塔的风致振动响应,还应考查钢桥塔和塔吊组合体系下的风致振动响应。本研究结论可为施工态下同类钢桥塔的风致施工安全提供一定的参考。     

串列双流线型断面涡激振动气动干扰试验

在均匀流场下,分别对不同间距比D/B、不同阻尼比条件下上、下游流线型断面涡激振动气动干扰进行了风洞试验研究,并将上、下游流线型断面涡激振动锁定区间、涡激振动振幅与单流线型断面进行了对比。结果表明:上、下游流线型断面涡激振动锁定区间不因D/B及阻尼比的影响而改变,上、下游流线型断面D/B和阻尼比对其涡激振动振幅有影响;上游断面涡激振动气动干扰效应主要受D/B的影响,当D/B≤3时,对上游断面涡激振动的干扰效应表现为增大效应;当D/B>3时,对上游断面涡激振动的干扰效应可忽略;下游断面涡激振动气动干扰效应主要受上游断面涡激振动振幅影响,当上游断面振幅较大时,其对下游断面干扰效应主要表现为抑制作用;当上游断面振幅较小时,其对下游断面干扰效应则表现为增大效应;随着双幅断面间距增加,干扰效应逐渐减弱。     

均匀流场串列双矩形断面涡激振动气动干扰试验

针对串列双矩形断面涡激振动气动干扰问题,在均匀流场下,分别对不同间距比D/B、不同阻尼比条件下上、下游矩形断面涡激振动气动干扰效应进行了风洞试验研究,并将上、下游矩形断面涡激振动锁定区间、涡激共振振幅与单矩形断面进行了对比。结果表明:串列双矩形断面竖向涡激振动锁定区间、上游矩形断面扭转涡激振动锁定区间不因上、下游矩形断面间距比及阻尼比的影响而改变,下游矩形断面扭转涡激振动锁定区间随上、下游矩形断面间距比的变化而略有变化;上、下游矩形断面净间距和阻尼比对上、下游矩形断面竖向涡激及扭转涡激共振振幅有影响;对于上游矩形断面竖向和扭转涡激振动,D/B=0.5时干扰效应达到最大,D/B≥4时气动干扰效应可以忽略;而对于下游矩形断面的竖向和扭转涡激振动,D/B=0.5时干扰效应达到最大,D/B≥7时仍存在气动干扰效应,且表现为抑制作用。     

粉房湾长江大桥节段模型风洞试验

粉房湾长江大桥为双塔双索面半飘浮体系斜拉桥,为检验该桥在强风下的颤振稳定性及在常遇风速下的涡激振动性能,对该桥动力特性进行计算并按照1∶45.8的几何缩尺比制作6个标准主梁节段模型进行风洞试验,针对试验结果提出在主梁风嘴边桁处设置导流板的制振措施.计算和试验结果表明,该桥结构刚度大、振动频率高,在检验风速范围内不会发生颤振失稳和静风失稳,满足抗风设计要求;通过在主梁风嘴边桁处设置导流板,能够实现对桥梁涡激共振的有效控制,使其满足规范要求.     

多塔斜拉桥加劲索涡激振动实测与时域解析模态分解

为研究多塔斜拉桥中塔加劲索涡激振动时域和频域特性，对多根加劲索开展了振动加速度测量和风速、风向观测，研究了加劲索振幅与风速和风向的关系，分析了加速度时程的时域和频域特征。采用解析模态分解法对加劲索涡激振动加速度时程进行了分解，分析了所得分量的时域和频谱特征。研究发现，在无雨和较低风速条件下，同侧并列加劲索仅迎风侧发生明显涡激振动，其峰值振动是以频率为6.25 Hz的第28阶模态主要参与为特征，为高阶多模态涡激振动，明显发振风速约为4~5 m·s^-1，风向接近垂直桥轴线，其面内振动明显大于面外。1^#加劲索面内涡激振动时程分解得到的3个相邻高阶频率时程分量显示，第28阶模态振动加速度随时间的变化，主导了加劲索振动加速度幅值的增大和减小。同时认为，解析模态分解法不仅能较好地分离含有多个密集频率分量的时域信号，且分解得到的分量不改变原信号分量的频率特征，分解分量再合成的信号与原信号时频特征完全一致。因而可采用解析模态分解法分解具有多个密集频率分量的柔性结构响应，能有助于工程结构风致响应的模态参数识别。     

分离式三箱梁空气动力学特性风洞试验

分离式三箱梁因其优异的颤振稳定性，且对极端风环境的适应能力强，在超大跨度桥梁的设计和建设中逐渐被广泛应用。然而，因为双间隙的存在，分离式三箱梁极易发生涡激振动。桥梁涡激振动的起源与其所受的气动力及其绕流密不可分。为了揭示分离式三箱梁涡激振动的诱因，同时为工程设计和应用实践提供理论指导，以中国某座正在筹建的大跨度桥梁分离式三箱梁为研究对象，进行了精密化的风洞试验研究。通过试验对比了3种断面的表面压力特性，研究三者表面压力分布特征及频率特征。其频率分析结果表明：曲线腹板型式的箱梁具备“双频”现象，易导致涡振区的增大。其后，为揭示双频现象的诱因，进行了流场可视化烟线试验，试验结果表明：近尾流区没有发现剪切层的相互作用以及交替脱落的旋涡，单侧剪切层的分离和再附诱发了分离式三箱梁的气动不稳定性；线性腹板的断面间隙流场更为紊乱，尤其是下游间隙流场。还采用节段模型风洞试验对成桥状态下分离式三箱梁的压力分布特性及绕流场特征进行了初步研究。研究结果表明：与线性腹板的断面相比，曲线型腹板能够有效降低分离式三箱梁在成桥状态下的升阻力系数；剪切层的分离和再附依然是诱发分离式三箱梁气动不稳定性的主要原因。     

武汉四环线汉江大桥抗风性能研究

为研究武汉四环线汉江大桥抗风性能,计算了施工状态和成桥状态结构的动力特性,通过试验测量主梁的三分力系数值,评价了汉江大桥的颤振和涡振性能,最后进行静风稳定性分析。试验及计算分析结果表明,汉江大桥颤振临界风速高于检验风速,涡激振动最大振幅小于规范容许值,静风失稳临界风速较高,整体抗风性能良好。     

菜园坝长江大桥气动弹性模型风洞试验及分析

介绍了重庆菜园坝长江大桥施工及成桥状态全桥气动弹性模型在均匀流和湍流两种流场中的风洞试验的主要内容及相应结果。评估了菜园坝长江大桥颤振、抖振和涡激振动等风振特性。结果表明,该桥成桥状态下的各种风振响应能满足设计风速下的抗风要求。主拱悬臂施工状态下主拱振幅最大,主拱1/4悬臂状态下有涡激振动现象。     

圆柱结构涡激共振耦合效应及其抗风设计参数

为了解决亚临界区圆形断面细长结构涡激共振抗风设计参数取值不明确的问题,针对土木工程领域小直径圆形细长结构在亚临界区的涡激共振现象,对其涡激共振耦合效应进行了研究,获得其抗风设计的主要气动力参数。采用弹性悬挂节断模型风洞试验,模型两侧采用斜置上下不等刚度的弹簧提供三自由度的振动模型,试验风速对应的雷诺数区位于亚临界雷诺数区,分别测试风速增大和减小2种状态下模型的涡激共振,试验采用激光位移计和压力扫描阀同步测试模型振动位移和表面风压,通过分析位移和风压之间的关系,揭示涡激共振发生的耦合状态,并基于涡激共振抗风设计的要求,给出涡激共振锁定区间、气动力系数等抗风设计参数。结果表明：风速增大和减小2种状态下,涡激共振的耦合状态不同,风速增大过程中锁定区间更长;在锁定区间内存在强耦合和弱耦合2种机理的耦合状态,强耦合状态下的升力系数标准差和平均阻力系数值更大,旋涡脱落频率更强,气动力和流场的波动也更强;基于此,建议在对亚临界区的圆形断面结构进行涡激共振设计时,锁定区间为1.0~1.3倍起振风速,其中1.0~1.1倍起振风速范围内按照强耦合状态设计并考虑由耦合效应引起的气动力增强,1.1~1.3倍起振风速范围内按照弱耦合状态设计。     

韩家沱长江大桥高低雷诺数涡激振动试验研究

针对桥梁断面对雷诺数敏感性存在较大差异的情况,以渝利铁路韩家沱长江大桥(主跨432m的钢桁梁斜拉桥)为背景进行节段模型风洞试验。在XNJD-1和XNJD-3边界层风洞中分别进行高、低雷诺数涡激振动试验,比较2种不同尺度(1∶45.77和1∶19.74)的模型中断面涡激振动性能的差别,并通过不同质量和阻尼比试验获得涡激振动振幅与Scruton数的关系式,从而推算得到高、低雷诺数节段模型试验下的实桥振幅。结果表明:高、低雷诺数试验中,风攻角为-5°时,钢桁梁节段模型均出现了大幅的涡激振动,涡激振动的起振风速随着模型频率的增加而降低;按照低雷诺数试验结果换算得到的实桥涡激振动振幅高于按照高雷诺数试验换算的结果;增加二期恒载可以减少涡激振动振幅。     

大跨度钢-混结合梁悬索桥涡激振动控制指标体系研究

为保证已建桥梁发生涡激振动后桥梁结构的安全以及桥上行车和行人安全,提出综合考虑人员舒适性、结构受力和停车线形三方面的大跨度钢-混结合梁悬索桥涡激振动控制指标体系。该体系包含9项指标,分别为驾乘人员舒适度、驾乘人员晕动症、行人舒适度(狄克曼指标)、加劲梁强度、加劲梁应力、加劲梁挠度、桥面纵坡、竖曲线半径和停车视距。以武汉鹦鹉洲长江大桥为背景,分别计算了“限速”和“封桥”2个交通管制措施下9项指标对应的涡激振动振幅限值。在此基础上,将9项指标对应的涡激振动振幅限值的最小值作为涡激振动限值建议取值。结果表明：当该桥发生低阶竖弯涡激振动(VS1、VAS1)时,涡激振动的控制因素为加劲梁挠度指标;当大桥发生VAS2模态的竖弯涡激振动时,涡激振动由驾乘人员晕动症指标和行人舒适度指标共同控制;当大桥发生高阶竖弯涡激振动(VAS3、VAS4)时,涡激振动由行人舒适度指标控制。涡激振动控制指标体系及限值标准的计算框架可适用于不同桥型涡激振动限值的计算。     

大尺度闭口扁平钢箱梁涡激力半经验模型比较

涡激力半经验模型基于试验结果,描述涡激振动响应特征,属于现象学范畴。目前工程应用较多的主要有经验线性模型、Scanlan非线性模型和Larsen广义模型。常规尺度(1∶60左右)节段模型较小,受雷诺数效应及模型细节处理不够精确等因素影响,试验结果与实际结构往往会存在一定差异。大尺度主梁节段模型(通常为1∶15～1∶20)试验雷诺数更接近实桥,更精确地模拟主梁细节,可测得更精细准确的涡振振幅和涡振区。通过一大跨度悬索桥扁平箱梁1∶20大尺度节段模型涡振试验,基于经验线性模型、Scanlan非线性模型和Larsen广义模型识别涡激力。分析三种半经验模型在描述涡激力和涡振响应方面的特点,为类似工程应用提供参考依据。最后根据沿跨向涡激振动研究进展,提出了三维涡激振动研究问题。     

重庆永川长江大桥涡激振动性能风洞试验研究

为研究在常遇风速下混合梁斜拉桥的涡激振动性能及抑振措施,以半飘浮体系七跨连续双塔混合梁斜拉桥——重庆永川长江大桥为背景,设计基于1∶50主梁节段模型风洞试验,测试在不同阻尼体系下检修车轨道、导流板对涡激振动性能的影响,并对主梁外挂排水管道的形状进行了优化,最后提出了可显著改善主梁涡激振动性能的抑振措施。研究结果表明:主梁在-3°、0°和+3°攻角下均发生了明显的涡激振动现象,+3°攻角下的振幅最大,且远大于规范的容许振幅;向梁底内侧移动检修车轨道,并在其内侧布置导流板可大幅降低主梁的涡激振动振幅;位于斜腹板的圆形排水管道会削弱主梁的气动性能,改用120cm×20cm的扁状排水管道可有效提高颤振临界风速并降低涡激振动振幅。