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。     

深度强化学习驱动下桥梁主动吸气流动控制

为了改善桥梁在风场中的气动性能，提出一种基于深度强化学习(Deep Reinforcement Learning, DRL)算法驱动的主动吸气流动控制方法，DRL算法吸气控制策略能够根据风场环境进行柔性调整。根据桥梁尾缘旋涡脱落位置，吸气槽设置于相对来流方向的桥梁尾缘底板转角处。通过DRL与计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)耦合平台DRLinFluids,进行了二维风场环境下主动吸气控制研究。结果表明：(1)DRL算法吸气控制下，桥梁脉动升力、脉动阻力、脉动弯矩分别较无控制情况下减少了99.2%、92.9%、98.5%,同时桥梁时均阻力与弯矩分别下降21.3%与98.3%;(2)DRL算法吸气控制下，桥梁尾流的旋涡脱落被抑制，尾流涡由周期性交替脱落的旋涡变成稳定的长尾状尾流，延后了旋涡脱落位置；(3)DRL算法吸气策略由前期大振幅波动逐渐过渡至小振幅波动。此外，高能耗的大振幅吸气时间与改善流场的耗时吻合。流场进入稳定阶段后，策略转变为小振幅低能耗吸气状态。     

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。     

结构—尾流振子耦合模型参数识别及桥梁涡激振动预测

为准确预测桥梁涡激振动特征,基于结构尾流振子耦合模型涡激振动预测方法,分析其动力方程及近似解,针对目前结构—尾流振子耦合模型中较难确定的模型参数(质量参数M、流场“stall”效应参数y、结构对尾流作用的耦合项参数A和范德珀尔参数ε),提出了基于涡激振动风速～振幅曲线的模型参数识别方法.开展某主梁节段模型风洞试验,依据...     

O型套环对圆柱结构气动力和干索驰振影响的试验

圆柱类结构在土木工程领域应用十分广泛，其风荷载和风致振动一直是研究和设计十分关注的问题。根据圆柱结构风致振动的机理，提出了O型套环这种被动式的三维气动措施，并对其减阻抑振效果进行了全面研究。通过风洞内的天平测力和干索驰振试验，研究了O型套环的几何参数(间距、宽度和厚度)对气动力和干索驰振的影响规律，并对减阻抑振机理进行了分析。研究结果表明：同标准圆柱类似，套环圆柱的平均阻力系数和雷诺数密切相关；当雷诺数小于3.0×10⁵时，套环圆柱的平均阻力系数小于标准圆柱的结果，最大减阻率为29.5%;当雷诺数大于3.0×10⁵时，套环圆柱的平均阻力系数大于标准圆柱的结果，最大增阻率为36.4%;标准圆柱和套环圆柱均会在高风速区间发生干索驰振，套环间距越小、宽度越大、厚度越小，对干索驰振的抑制效果越好；在亚临界区，套环圆柱可以减小阻力，原因是圆柱安装套环后，尾流宽度变窄，旋涡形成区变长，流场呈现三维特征；在临界区，套环圆柱会增大阻力，一定程度上可将套环视为对流场的扰动，加剧层流向湍流的转捩；套环圆柱对干索驰振的抑制和加剧与套环圆柱在临界区增阻的机理相似。     

基于强迫振动装置的拉索和水线气动力试验

为了研究斜拉索风雨激振中拉索和水线上的气动力,制作了直径为350 mm的拉索模型,采用强迫振动装置,对粘贴水线的二维拉索进行了5种工况下的测压风洞试验.系统研究了水线的存在、模型竖向和扭转振动对拉索和水线的平均风压系数、脉动风压系数、平均气动力系数、脉动升力系数功率谱等的影响,并对准定常理论在风雨激振理论分析中的适用性进行了验证.结果表明:准定常理论能反映拉索和水线气动力的主要特征;拉索竖向振动和水线周向摆动基本不影响拉索和水线的平均气动力系数,拉索平均升力系数在60°风攻角处发生突降;水线的周向摆动对脉动气动力的影响很大,远大于拉索竖向振动的影响;水线的存在不仅使水线附近的风压系数发生突变,而且还降低了旋涡脱落频率.     

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。     

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。     

宽幅双箱叠合梁涡振性能及抑振措施试验研究

叠合梁断面通常为气动外形较钝的半开放截面，为漩涡的产生和发展提供了条件，容易发生涡激振动现象。过大振幅的涡激振动会影响行车舒适性，严重时将引起结构疲劳破坏，危及桥梁结构安全。如何有效解决涡激振动问题成为叠合梁桥抗风设计的关键。为了抑制该类主梁断面的涡激振动，以宜宾盐坪坝长江大桥为背景，通过1：60的节段模型风洞试验，研究了风嘴、中央稳定板、封闭栏杆、裙板、内侧隔流板、箱梁下导流板等常见措施对双箱叠合梁断面涡激振动性能的影响。研究结果表明：封闭斜拉索防护栏杆、内侧隔流板、梁底稳定板等措施均可不同程度地降低主梁的涡振振幅，但仍无法满足桥梁的抗风设计要求；竖直裙板可以使-3°和0°攻角下主梁的涡激振动消失，但对3°攻角的减振效果有限；在叠合梁中应用广泛的传统整体式风嘴无法降低宽幅双箱叠合梁的涡振振幅；采用安装在箱梁侧下方的三角形风嘴可以减弱箱梁边缘的流动分离，优化梁体的气动外形，从而使断面在各个风攻角下的涡振振幅大幅降低。将三角形风嘴与封闭斜拉索防护栏杆的方案组合后，可进一步降低主梁的涡振振幅，满足抗风设计的要求。所提出的叠合梁涡振抑振措施具有较好的工程适用性，可为同类桥梁的抗风设计提供借鉴。     

基于节段模型测振的钢丝绳吊索尾流致振试验研究

为研究大跨度悬索桥吊索发生大幅风致振动机理,设计并制作了外表粗糙的双圆柱试验模型,进行尾流索股弹性悬挂测振风洞试验。试验工况包括顺风向X=2. 5～11、横风向Y=0～4;测量了尾流索股在不同空间位置的运动响应规律,研究了结构阻尼比、来流风速等对尾流索股风致振动的影响规律。结果表明:在X≤5、0. 5 Y≤1. 25的空间范围内,尾流索股会发生大幅尾流致振,其振动形式为双自由度椭圆运动,在尾流中心线下方运动方向为逆时针,且稳定运动频率小于结构固有频率。风速大小对尾流索股的运动规律有明显影响;增加结构阻尼比对抑制尾流致振的效果较弱,但对提高尾流致振起振风速有一定的效果。     

平板断面风致振动的流场驱动机理分析

应用粒子图像测速技术分析了平板断面颤振过程中尾部旋涡变化过程,采用相位平均的方法研究模型周期性振动与旋涡规律性演化之间的关系。当风速低于颤振临界风速时模型尾部旋涡尺度较小,结构振动幅度较小,当风速接近颤振临界风速时尾部旋涡经历了能量从小涡向大涡的传递过程后由能量较大的旋涡控制结构振动,结构振幅明显增加,直到模型振动发散。结合计算流体动力学的数值模拟方法获得颤振时刻模型表面的压力场,采用本征正交分解技术分析模型表面压力的模态特征函数,并根据分析结果对模型表面进行合理分区,利用分块分析的思想研究颤振过程中气流能量输入特点。结果表明：在颤振过程中模型表面波动压力的主控成分向迎风端风嘴漂移;主控波动压力的漂移造成模型通过迎风端风嘴从气流中吸收大量的能量,在一个完整振动周期内,气流输入到振动系统的能量不断增加,而造成结构稳定性的丧失。     

基于风洞试验的变截面圆灯柱涡激振动与影响因素研究

为了研究某实桥变截面圆灯柱发生的风致二阶振动现象,采用多段薄壁空心铝管焊接并覆盖泡沫管和柔性PVC薄膜的方法,设计制作了满足相似比要求的变截面灯柱气弹模型,解决了低质量比、低阻尼比变截面细长结构风洞试验不便模拟的问题.通过风洞试验,采用非接触式视频测量位移系统和眼镜蛇探针测试了不同风速下灯柱位移响应和尾流风速,重现了灯...     

长安街西延永定河大桥斜拉索风雨振及减振措施研究

为明确长安街西延永定河大桥斜拉索的风雨振特性,提出有效的减振措施;进行斜拉索风雨振计算分析,并通过风洞试验分析风速和雨强对斜拉索风雨振的影响;研究不同阻尼比和斜拉索表面缠绕双螺旋线的减振效果。结果表明:该桥大部分斜拉索在不采取减振措施的情况下有发生风雨振的可能;斜拉索风雨振的振幅随着风速的增大先增大后减小,随着雨强的增大逐渐减小;增大阻尼比能有效减小斜拉索风雨振的振幅。建议该桥斜拉索安装阻尼器时,阻尼比不小于0.9%;当螺旋线的直径为1.2mm时,单根螺旋线的间距取6倍的斜拉索直径;当单根螺旋线的间距为12倍的斜拉索直径时,螺旋线的直径取2.0mm。     

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...     

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。     

桥塔尾流风作用下吊索尾流致振动模型与参数分析

现场实测表明,大跨度悬索桥塔后吊索受桥塔尾流影响常发生大幅尾流致振.为研究该振动机理,同时为工程设计和应用实践提供理论指导,以某大跨悬索桥桥塔单根塔柱和塔后吊索为研究对象,首先进行了大比例尺节段模型的风洞试验.通过试验,再现吊索在桥塔尾流区内的尾流致振现象,研究吊索的振动特征与桥塔尾流风速特征.在此基础上,考虑尾流刚度...