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。     

大跨度人行悬索桥颤振控制措施研究

为了解不同气动措施对人行悬索桥颤振稳定性的影响,以某460 m主跨人行悬索桥为例,通过节段模型风洞试验研究了稳定板、改变护栏透风率、增大主梁透风率等气动措施对颤振稳定性的影响.结果表明:1)增大主梁透风率能提高颤振稳定性能;2)封闭人行道护栏能起到类似上稳定板的作用,在模型背风侧添加稳定板能更好地抑制此攻角颤振发生,合...     

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。     

钢板组合梁斜拉桥主梁抗风设计研究及应对措施

结合樟树赣江二桥主桥400m主跨双塔斜拉桥,从设计师角度梳理了钢板组合梁斜拉桥主梁抗风设计的主要内容和工作流程,对该类型桥梁的抗风性能和抗风措施进行了说明,并利用规范方法对颤振和涡激共振相关参数进行计算。通过风洞试验,研究了原设计断面及设有气动措施断面的颤振和涡振性能,分析了裙板、水平导流板、风嘴、扰流板和下稳定板等单种或两种组合设置时的涡激共振减振效果,给出了扰流板和下稳定板联合使用的推荐方案。考虑到原设计断面在紊流场下抗风性能可满足规范要求,以及涡激共振发生风速比桥位处常遇风速高很多的特点,从合理性角度出发,设计中采取了预留抗风措施的对策。     

港珠澳大桥青州航道桥抗风性能研究

为了检验港珠澳大桥青州航道桥的风致稳定性,对其抗风性能进行研究。采用主梁节段模型风洞试验研究主梁的涡振性能和颤振性能,采用桥塔气弹模型风洞试验研究桥塔自立状态的驰振性能和涡振性能,采用ANSYS软件进行全桥有限元分析研究该桥的静风稳定性。结果表明:港珠澳大桥青州航道桥主梁原始断面和增加风嘴断面涡振性能不满足规范要求,在人行道栏杆上方增设抑流板后涡振性能满足要求;主梁原始断面和增加风嘴断面满足颤振稳定性要求,增加抑流板断面在+5°风攻角下的颤振稳定性不满足要求;桥塔的驰振性能满足要求;均匀流场和紊流场下,桥塔仅在风偏角较小时出现扭转涡振;各初始风攻角下,该桥的静风稳定临界风速均远大于静风失稳检验风速,静风稳定性满足规范要求。     

南京仙新路过江通道主桥抗风性能风洞试验研究

仙新路过江通道主桥为跨径布置(580+1 760+580) m的悬索桥，桥塔高267 m,加劲梁采用整体式闭口钢箱梁。为研究该桥运营阶段抗风性能，通过1∶50缩尺比加劲梁节段模型风洞试验分析大桥的驰振性能及提高大桥颤振性能的气动措施；通过1∶140缩尺比全桥气弹模型风洞试验，验证大桥的颤振、静风稳定性，并研究桥梁的抖振响应。结果表明：该桥在常遇风攻角范围内(-3°～+3°)不具备发生驰振的必要条件，加劲梁断面具有良好的驰振稳定性；加劲梁原始断面的颤振稳定性不满足规范要求，在中央防撞护栏间增设0.67 m高中央稳定板后，颤振临界风速高于颤振检验风速并具有一定的富余量；采用优化措施后，大桥具备良好的静风与颤振稳定性，加劲梁、桥塔在设计风速下各测点抖振响应值较小且均未发生不稳定振动或发散性振动。     

整流罩组合措施外形对Π形叠合梁斜拉桥涡振性能的影响

某大跨度Π形钢-混叠合梁斜拉桥存在常遇风速下的涡激振动。为了抑制涡激振动,通过1∶50节段模型风洞试验,针对-5°最不利风攻角工况,开展了涡振性能优化研究。试验对导流板、裙板、下稳定板、风障与整流罩等单一气动措施的制振效果进行了研究,试验结果表明,只有下中央稳定板能在0.65%的阻尼比条件下,将主梁的竖弯与扭转涡振振幅同时降低50%以上。据此开展了以下中央稳定板为中心的组合气动措施研究,发现整流罩与下中央稳定板的组合气动措施能将主梁的竖弯与扭转涡振振幅同时降低75%以上。在此基础上,研究了整流罩竖直板高度与下中央稳定板高度对该组合气动措施制振能力的影响,发现在一定高度范围内,增加整流罩竖直板与下中央稳定板高度均能有效提高组合措施的制振能力,通过优化了该组合气动措施的气动外形,组合措施能够完全消除Π形叠合梁在不同风攻角(0.65%阻尼比)下的涡激振动。最后,采用计算流体动力学的方法,对该气动措施的制振机理进行了研究,计算结果表明：优化后的整流罩组合措施能够同时降低主梁上下表面旋涡脱落尺寸,显著减小主梁受到的周期性非定常气动力,从而达到抑制主梁涡振的效果;若同时降低整流罩竖直板高度与下中央...     

重庆手扒岩大跨窄桥综合抗风新技术应用

重庆手扒岩大桥首次在强风区域,宽跨比小的钢桁悬索桥中采用综合气动措施,提高桥梁颤振稳定性。即用桥位现场与气象站同步观测、比较,并采用模拟气象站法,研究桥位风流场特性,结合桥位气象站实测和虚拟气象站法,形成了峡谷区桥梁合理的风流场研究方法。获得了稳定板、导流板和护栏局部封闭组合形成的综合气动措施,对大跨窄桥钢桁悬索桥颤振稳定性有明显效果,提出了独特的抗风措施。     

窄幅钢桁架悬索桥静动力稳定性能优化研究

以某主跨420m、宽高比3.83的窄幅钢桁架悬索桥为研究对象,通过有限元计算分析和节段模型风洞试验,研究其静动力稳定性能。动力试验结果表明,主梁原始断面颤振稳定性不满足抗风要求。通过在主梁上设置下中央稳定板、水平导流板,对主梁进行气动优化设计研究。研究发现在7种优化方案中,方案3(高1m下中央稳定板)、方案5(宽1m水平导流板)和方案7(高0.75m下中央稳定板和宽0.5m水平导流板组合)均能有效改善主梁的颤振稳定性能。考虑到优化措施的经济性以及施工便利性,推荐采用方案3。同时,在静力试验获得静力三分力系数的基础上,利用非线性静风分析原理对优化后大桥的静风稳定性能进行分析,研究结果表明,大桥的静风稳定性能满足规范要求。     

山区峡谷大跨度人行悬索桥抗风性能试验研究

为研究山区峡谷大跨度人行悬索桥的抗风性能,以一座跨度为389 m的人行悬索桥为背景开展风洞试验研究。首先采用地形模型风洞试验获得加劲梁设计基准风速、静阵风风速和颤振检验风速;然后采用节段模型测力风洞试验测得加劲梁气动力系数随风攻角的变化规律,采用节段模型测振风洞试验测得加劲梁在风荷载作用下的竖向位移根方差及扭转角根方差,以分析加劲梁的涡振特性和颤振稳定性。结果表明：随着风攻角由-10°变化到10°,加劲梁的阻力系数先减小后增大,升力系数明显增大,扭矩系数缓慢增大;加劲梁在+3°和+5°风攻角下均发生了扭转涡振和软颤振现象,但涡振的起始风速均大于设计基准风速,颤振临界风速均大于颤振检验风速,表明该桥具有较好的涡振性能和颤振稳定性。     

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。     

芜湖长江公铁大桥主桥抗风性能试验研究

商合杭铁路芜湖长江公铁大桥主桥为主跨588m的钢箱桁组合梁斜拉桥。为确定该桥在施工期和运营期的抗风安全性,对其开展抗风性能研究。分别进行主梁节段模型、桥塔气弹模型、全桥气弹模型及并列拉索风洞试验,研究该桥在成桥状态及最不利施工状态的风致响应。结果表明:施工和成桥状态下,该桥主梁的颤振临界风速均远大于颤振检验风速,颤振稳定性较好;不同风速下均未观测到明显涡振,涡振性能满足规范要求;设计风速内,不同来流偏角下桥塔均未发生驰振及影响施工的大幅涡振,动力稳定性良好;实桥风速达到84.0m/s时主梁仍未发生颤振、横向屈曲、扭转发散等静力失稳现象,也未发现影响施工的涡振和大幅抖振;最不利工况下,下游拉索在风速37.4m/s时即出现一阶大幅尾流驰振,设置刚性连接杆可以有效抑制尾流驰振现象。     

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。     

庙嘴长江大桥大江桥颤振稳定性分析研究

为了解大跨度钢-混凝土结合梁悬索桥的抗风性能,以庙嘴长江大桥大江桥(主跨838m的悬索桥,加劲梁为钢-混凝土结合梁)为背景进行颤振稳定性研究。对该桥进行1∶50的缩尺节段模型颤振稳定性试验,根据试验结果进行气动优化措施分析,采取了在加劲梁断面增加2道1/4下稳定板的措施;针对优化后的加劲梁,进行1∶118的全桥缩尺模型风洞试验,并采用有限元软件ANSYS建立全桥三维有限元模型,进行了施工状态及成桥状态下的颤振分析。结果表明:在加劲梁断面增加2道1/4下稳定板后,提高了桥梁的颤振稳定性能;在-3°、0°和+3°风攻角作用下,该桥在施工状态和成桥状态下的颤振临界风速均大于检验风速,颤振稳定性能满足规范要求,较好地改善了桥梁的抗风性能。     

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.     

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.     

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。     

大跨度自锚式悬索桥钢-STC组合桥面箱形加劲梁抗风性能试验研究

以株洲枫溪大桥为工程背景,采用有限元计算和节段模型试验相结合的方法,研究大跨度自锚式悬索桥STC组合桥面钢箱加劲梁的抗风性能。研究结果表明:钢-STC组合桥面箱形加劲梁结构在-3°、0°及+3°的3种风攻角下,颤振临界风速均远高于桥位处检验风速,设计方案满足颤振稳定性要求,且有较大富余度。成桥状态下的原型断面在+3°攻角下出现了11.1~16.7 m/s与22.7~33.4 m/s两个竖弯涡振区,其中在第二个竖弯涡振区,其峰值振幅0.188 m超过规范允许值。通过对截面进行局部优化后,涡振均在规范允许值以内。节段模型测力风洞试验基于风攻角为-12°至12°范围内变化,研究了加劲梁断面的静力三分力系数的变化规律。大跨度自锚式悬索桥的钢-STC组合桥面宽幅箱形加劲梁的抗风性能试验研究为类似桥梁的设计提供依据和参考。     

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。     

带悬臂流线型箱梁大比例节段模型涡振试验研究

大比例节段模型风洞试验是预测大跨度桥梁主梁涡振性能的有效方法之一。为研究带悬臂流线型箱梁涡振性能影响因素及气动优化措施,以某大跨悬索桥为工程背景,进行了1∶25大比例节段模型风洞试验。试验研究了不同来流攻角状态下主梁断面的涡振性能,并检验了移动检修轨道位置、安装悬臂、轨道导流板以及底板竖直稳定板等气动措施的制振效果。研究结果表明:随攻角由负变正,断面的扭转涡振性能逐渐变差;检修轨道向底板中央移动能有效降低涡振振幅,同时在检修轨上附加导流板能进一步地优化涡振性能,并且导流板越宽效果越明显;悬挑臂导流板以及底板设竖直中央稳定板不适于提高本文主梁断面涡振性能。