高速铁路大跨度斜拉桥箱梁涡振响应及气动优化

无砟轨道高速铁路斜拉桥跨度较大，常采用箱形断面主梁，在桥梁建设和运营过程中涡激振动问题不可忽视。以阜淮高速铁路颍河斜拉桥为工程背景，对主梁断面绕流进行数值模拟以及流固耦合求解，研究主梁断面的气动力参数以及竖向涡振响应。针对可能出现的明显涡振进行气动优化，并分析涡振响应对列车行车稳定性的影响。结果表明：在0°、±3°和±5°五种攻角下主梁原始断面均出现了竖向涡振，最大竖向涡振振幅均较小；在+5°攻角下主梁原始断面出现明显的竖向涡振，在检修车轨道内侧加设导流板，可显著减小主梁断面的涡振响应；涡振时最大振幅对应列车行车安全性满足要求。     

分体式钢箱梁竖向涡振检修轨道气动措施风洞试验研究

双分体式钢箱梁具有良好的颤振性能,但在常遇风速内易发生涡激振动。为研究双分体式钢箱梁的涡激振动性能及其抑振措施,以某跨径为658 m的双分体式钢箱梁斜拉桥为背景,通过节段模型风洞试验,开展检修轨道与中央格栅等一系列独立气动措施以及多种联合气动措施对主梁涡振性能的优化研究。试验结果表明：1)在常遇风速下,原始断面在5个来流攻角(α=0°,±3°,±5°)中均观测到大幅竖向涡激振动,需采取抑振措施来抑制主梁涡激振动,结构阻尼提升至1.48%时涡振振幅仍未满足限值要求,完全消除主梁涡激振动需将阻尼比提升至2.3%;2)优化检修轨道位置能有限减小主梁竖向涡激振动,减少幅度在12.8%～29.6%之间;3)在分体式双箱梁中央开槽处添加中央格栅能大幅减小主梁竖向涡振振幅,相较原始断面减少了60%以上;4)检修轨道与中央格栅联合减振效果不如独立添加中央格栅气动措施,但这2种气动措施联合稳定板能有效控制主梁涡激振动,且相较原始断面,主梁涡振振幅下降了78%以上,在此基础上对中央开槽的封堵率以及检修轨道与外侧斜腹板之间的间距进行优化,最终得到一种双分体式钢箱梁断面涡激振动抑振措施,使主梁竖向涡振振幅减少...     

窄幅边主梁斜拉桥涡振性能及气动控制措施研究

为研究窄幅边主梁断面的涡振性能及其气动控制措施,以某窄幅边主梁斜拉桥为工程背景,开展1︰20节段模型的测振及气动控制措施优化风洞试验,研究不同角度风嘴对称及非对称布置形式、梁底稳定板数量、风嘴水平分流板等气动措施对主梁涡振性能的影响。研究结果表明：窄幅边主梁涡振性能较差,在0°,±3°风攻角下均发生了显著的竖弯涡振,但未发生扭转涡振,最大响应振幅出现在+3°攻角,峰值位移132.2 mm,超出规范允许值152%。安装非对称风嘴对主梁涡振抑制效果更明显,设置风嘴能使主梁断面接近流线型,从而改善其气动性能。风嘴角度越小,抑振效果越好,但风嘴对主梁涡振性能提高有限。梁底稳定板对边主梁涡振的抑制效果明显,涡振风速区间不变,竖向涡振振幅得到明显抑制。随着稳定板的数目增加,主梁涡振稳定性提高越明显,但对主梁在不同风攻角下涡振性能的改善存在较大差异,+3°攻角下涡振响应降低为原断面响应的50%,但仍超规范限值。0°攻角下主梁的涡振得到完全抑制。在边主梁梁底两侧1/4处设置稳定板并在风嘴处设置分流板能有效抑制主梁发生涡激共振。     

鳊鱼洲长江大桥矩形钢箱梁涡振性能及控制措施研究

鳊鱼洲长江大桥为铁路斜拉桥,其矩形钢箱梁主梁在常遇风速下会发生涡激振动.为了抑制其主梁涡激振动,通过一系列风洞试验,研究减小栏杆透风率、增设裙板、导流板及风嘴等气动措施对矩形钢箱梁主梁涡振性能的影响.试验结果表明:减小栏杆透风率、增设裙板、导流板不能有效提高矩形钢箱梁的涡振性能;三角形风嘴能够适当降低主梁的竖弯涡振,但对扭转涡振无明显作用.提出了一种带平台的三角形下行风嘴,可完全消除矩形钢箱梁的涡振现象,并通过1:25大尺度节段模型风洞试验验证了该措施的有效性.论文研究成果可为大跨度铁路斜拉桥钢箱梁的涡振制振设计提供参考.     

带高防护结构的边箱叠合梁斜拉桥涡振性能及抑振措施研究

为研究跨铁路站场的带高防护结构边箱叠合梁斜拉桥的涡振性能及抑振措施,开展1:50节段模型涡激振动风洞试验研究。试验分析风攻角(+3°,0°和-3°)以及防护结构对主梁涡振性能的影响。在此基础上,综合测试水平稳定板、梁底稳定板、风嘴、改变防护结构透风率等气动措施对桥梁涡振性能的提升效果。试验结果表明:带高防护结构的边箱叠合梁涡振性能较差,3个风攻角工况均出现了大幅竖向涡激振动;防护结构以及断面本身较钝的外形造成了主梁的气动不稳定,考虑到其本身较明显的钝体效应,建议在断面两侧安装风嘴;采用风嘴+两道梁底稳定板的方式能显著提高主梁涡振性能;在安装风嘴的基础上,增大防护结构下部实心段的透风率能够较好的控制主梁涡激振动。     

π型截面涡激振动风洞试验及气动抑制措施研究

对某大跨斜拉桥进行节段模型风洞试验,研究该桥采用π型断面时抑制主梁涡激振动的气动措施。对其主梁节段模型进行涡激振动试验,通过对比研究,检验中央稳定板及改变栏杆透风率的气动措施的有效性。并借助CFD仿真技术,分析主梁断面周边绕流特性,探索气动措施抑制涡激振动的机理。结果表明,气动措施可以改善π型截面梁空气动力学特性,得到了抑制涡激振动的目的。     

大跨人行悬索桥纵横主梁涡振性能研究

为掌握大跨人行悬索桥纵横主梁涡振性能,以国内拟建的一座宽跨比为0.028 4的人行悬索桥为工程背景,对其涡振响应特性及发生机理进行了研究。采用数值方法分析了该主梁涡振响应、流场涡脱演化、风压分布以及涡激振动贡献系数在-3°、0°和3°风攻角下的特性。结果表明,随着风攻角由正转负,主梁竖弯涡振性能变差,其风速锁定区间向低风速区偏移,最大竖弯涡振幅值增大,最不利扭转涡振出现在0°风攻角下。由于主梁下表面多个工字钢纵梁的阻挡作用,导致主梁下部气流旋涡运动状态复杂,其对涡振响应影响显著。脉动风压系数随风攻角的变化规律复杂,主梁上、下表面脉动风压系数极值分别出现在-3°和3°风攻角下。不同风攻角下,主梁上、下表面的涡激振动正贡献系数极值均出现在尾流端且作用范围较大,此为结构竖弯涡振响应的主要贡献区域。     

新建桥梁与邻近既有桥梁主梁涡振气动干扰效应风洞试验研究

新建甬州铁路桃夭门大桥为主跨666 m的分离式三箱梁斜拉桥,与既有桃夭门公路大桥并列布置且距离较近,两桥主梁间的气动干扰是大桥抗风设计中必须考虑的关键因素。基于节段模型风洞试验方法,研究新桥单独存在和新桥和既有桥梁同时存在时新桥和既有桥梁的涡振性能,分析分离式三箱梁新桥与单箱梁既有桥梁之间气动干扰效应对主梁涡振性能的影响。在新桥单独存在时,分离式三箱梁新桥产生了大幅涡振,在开槽处设置格栅板能显著降低涡振响应;此外采用CFD仿真结果显示,开槽处设置格栅板后漩涡脱落明显降低而抑制了涡振。气动干扰研究结果表明：在不同风向下,新桥和既有桥梁之间的气动干扰效应对主梁的涡振性能影响不同。新桥位于迎风侧时,新桥的涡振性能与新桥单独存在时基本一致,下游既有桥梁对其涡振性能影响很小;迎风侧新桥的存在减小了低风速下既有桥梁的涡振响应,对既有桥梁的涡振控制有利。既有桥梁在迎风侧时,背风侧新桥会增大迎风侧既有桥梁的涡振振幅,同时,受既有桥梁尾流影响,新桥的涡振性能也更为不利。提高新桥和既有桥梁的阻尼比,可以有效地抑制其涡振响应,以满足规范限值的要求。     

三主桁式大跨度钢拱桥气动力特性与风振性能研究

以广东沿海强风区某在建中承式三主桁式大跨度钢拱桥为工程背景,通过风洞试验和理论分析,研究该桥梁施工状态和成桥状态风致响应特性。采用节段模型试验获得主梁、拱肋和拱脚的气动三分力以及主梁涡激振动特征,利用全桥气弹模型试验研究风致响应特征并与理论分析进行对比。研究结果表明:三主桁拱肋气动阻力大但是升力及扭矩小,不易发生静风失稳,拱脚气动力随风偏角变化显著;该桥主梁存在发生涡激共振的可能性,但振幅小于规范限值,且阻尼比达到1.0%时基本有效抑制了涡振;拱肋横风向抖振响应大,主梁竖向抖振响应大,施工状态拱肋最大位移达1.47 m,应合理选择施工期,避开台风期。     

扁平板式吊杆涡振性能及气动优化研究

为研究扁平板式吊杆风致涡激振动特性,采用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法建立涡振数值模型,并验证该方法和模型的可靠性。以高宽比1∶6的吊杆为研究对象,分析不同风向下吊杆风致涡振随风速的变化规律,研究涡振过程中旋涡的脱落规律,并提出增设扰流板和竖向开槽2种气动优化措施。结果表明:吊杆长边迎风涡振振幅最大值为35.2 mm。气流在吊杆的上下侧出现明显的来流分离和旋涡脱落,并在吊杆后方产生巨大空腔。设置三角扰流板的吊杆后涡振锁定区间大幅减小,各风速下涡振振幅均大幅降低,最大涡振振幅减小89.5%。开槽后的吊杆断面在各风速下振幅接近0,吊杆开槽能够有效抑制涡振的发生。     

类矩形双肢钝体涡致振动和气动抑振机理

针对具有类矩形双肢钝体断面拱肋的大跨度拱桥在风洞试验过程易出现大幅涡激振动问题,沿拱肋模型表面进行动态风压同步测量及基于POD算法的本征气动力荷载分布模式分解,获得了涡振发生时对于周期性涡激力具有最大贡献的气动力荷载作用位置,初步揭示出此类断面涡激动发生时的局部气动力荷载作用机制。以上海卢浦大桥和肇庆西江特大桥此类具有双肢钝体断面拱桥为工程实例,结合涡激气动力沿拱肋周向时空气分布特征,提出并以二维悬吊节段模型风洞试验验证了拱肋断面多种有针对性的气动控制措施;结合实际桥梁拱肋的三维空间效应,利用全桥气弹模型风洞试验再现了涡振发生效果的气动力特征、阻尼比效应、三维尺寸渐变效应和质量分布效应的综合影响,结果表明:对于类矩形钝体拱肋断面的上下悬板方案和全盖板方案能大幅度降低涡振振幅并使锁定风速区间向高风速段迁移,但实际涡振抑制效果仍需结合三维模型气弹试验最终判断。     

索梁结构应急桥抖振响应分析

针对新型索梁结构应急桥结构刚度小、质量轻的特点,开展脉动风荷载作用下应急桥的抖振响应研究。利用ANSYS软件建立桥梁结构模型,分析其动力特性。采用谐波合成法模拟脉动风场,基于准定常抖振分析模型计算了主梁节点的静风力、抖振力。运用APDL编制程序分析轻型索梁结构应急桥的抖振响应,分析气动导纳函数和自激气动力对桥梁结构抖振响应的影响,并对提出的斜拉索抗风缆方案进行抖振响应计算。计算结果表明:索梁结构应急桥抖振横向位移远大于竖向位移,说明结构侧向刚度较弱;跨中主缆应力对风速变化更为敏感,而吊杆应力波动较小;索梁结构应急桥跨中横向位移主要受主梁正对称侧弯振型的影响;竖向位移主要受主梁一阶正对称竖弯振型的影响;扭转角主要受主梁一阶正对称扭转振型的影响;不考虑气动导纳函数会使索梁结构应急桥抖振响应计算结果偏大,气动自激力对结构抖振响应影响较小。与原方案相比,斜拉索抗风缆方案能够极大地降低横向抖振位移,对竖向位移和扭转角影响较小。     

H型截面吊杆气动性能的风洞试验

通过节段的静力和弹簧悬挂动力试验,对H型吊杆的驰振和涡激振动性能进行分析。不做任何措施的H型吊杆在一定的风速下很容易发生驰振。腹板开孔的H型吊杆在横桥向来流时表现出涡激振动,开孔越大,涡激振动的振幅越小,方形孔比圆形孔要小,表明腹板开孔可以抑制该风向的涡激振动。在接近顺桥向来流的作用下,实腹和只在腹板开孔的吊杆在风速不高时表现为弛振。在翼板上加风嘴时,没有发现驰振,但横桥向来流时的涡激振动有较大增加。翼板上开孔能提高吊杆顺桥向来流的驰振临界风速,甚至杜绝该方向驰振的发生,且开孔越大效果越好。     

平行四幅连续钢箱梁桥风致振动气弹模型试验研究

为满足日益增长的交通需求,多幅大跨连续钢箱梁桥应用日益广泛,多幅主梁间复杂的气动干扰效应引起的风致振动及其减振是桥梁设计和运营必须解决的问题。以某主跨180 m平行4幅连续钢箱梁桥为工程背景,设计制作4幅连续梁桥气弹模型,开展全桥气弹模型风洞试验,研究2幅和4幅梁桥的气动干扰效应,分析桥幅数量、主梁间距、并列和错列布置等因素对桥梁风致振动特性的影响。风洞试验结果表明：多幅桥梁的风致振动特性与桥幅数量、主梁间距和主梁布置方式密切相关。单幅桥梁在试验风速内发生了极小振幅涡振、没有发生驰振。并列双幅桥在小间距工况(D=0.75 m,D/B=0.06)条件下,下游桥会发生明显的尾流致涡振,增大主梁间距至大间距工况(D=13 m,D/B=0.98)后,下游桥驰振临界风速减小到40 m/s,但涡振消失。并列4幅桥在小间距条件下,下游第3幅和第4幅桥梁在30 m/s风速左右发生尾流致涡振,在大间距条件下,下游第3幅和第4幅桥风致振动幅值随着风速增大而迅速增大,发生软驰振。错列布置的小间距4幅桥在试验风速范围内没有发生明显的涡振和驰振现象,抗风性能优于小间距并列布置4幅桥。研究成果可为类似桥梁设计提供...     

高阶模态涡振锁定区间气动力展向相关性研究

由于涡激力沿展向并不完全相关,在均匀流条件下基于宽高比为5:1的矩形截面多点弹性支撑气弹模型,开展风洞试验,对气弹模型在高阶模态振动状态下以及静止状态下的涡激力展向相关性进行研究。研究结果表明:气弹模型的各竖弯模态均出现了频率相同的2个涡振区间,第1涡振区间的表观St数为0.22,第2涡振区间的表观St数为0.11;高阶模态振动状态下,不同模态的第1个涡振锁定区间内升力展向相关系数最大值位于涡振幅值最大处,而第2个涡振锁定区间内升力展向相关系数最大为位于涡振锁定区间的上升段而非涡振幅值的最大处,且与节段模型的升力变化规律相似;静止状态下气弹模型的升力展向相关性系数随着风速(雷诺数)的增加而表现出升高的趋势,且随展向间距增加而逐渐趋于0。     

风嘴外形对钝体钢箱梁铁路斜拉桥涡振性能的影响

钝体钢箱梁在大跨度铁路桥梁建设中具有广阔的应用前景，以某大跨度钝体钢箱梁铁路斜拉桥为背景，采用1∶50节段模型风洞试验对该类箱梁的涡振响应进行测试，试验结果表明梁体在各测试风攻角(0°、±3°、±5°)下均存在涡激振动。为抑制涡激振动，通过风洞试验并结合计算流体动力学研究风嘴外形对钝体钢箱梁涡振性能的影响规律。研究表明，采用下行风嘴形式与减小风嘴角度均能提高三角形风嘴的制振能力。在传统三角形风嘴上部设置平台可显著提高风嘴制振性能，增加平台长度与减小风嘴角度均可有效提高该类风嘴的制振效果，但其中平台长度是主导影响因素。进而提出一种带平台的三角形下行风嘴制振措施，并通过1∶25节段模型风洞试验对该措施有效性进行验证。数值模拟结果表明，改变风嘴外形可有效降低主梁表面的旋涡尺寸，从而起到抑振主梁涡振的作用。研究成果可为大跨度钝体钢箱梁铁路桥的涡振制振设计提供参考。     

提升钢弹簧浮置板轨道稳定性的抑振调频装置研究

在轨道板上安装抑振调频装置是提高钢弹簧浮置板轨道稳定性的有效措施。基于有限元方法与车辆-轨道耦合动力学理论，建立考虑抑振调频装置的车辆-钢弹簧浮置板轨道耦合动力学模型，计算分析抑振调频装置刚度、阻尼和预紧力3个关键参数对钢弹簧浮置板轨道自身稳定性、减振效果及行车平稳性的影响。结果表明：抑振调频装置可有效抑制浮置板轨道振动，调节轨道板固有频率；轨道板位移频响幅值随抑振调频装置刚度、阻尼的增大呈指数规律减小，受预紧力影响不明显，当刚度在0～10 kN·mm^-1、阻尼在0～100 kN·s·m^-1范围变化时，抑振调频装置的调节效果显著且易实现；增大抑振调频装置的刚度、阻尼和预紧力均可有效降低轨道系统和车辆的振动加速度，但各自的作用不同，刚度最为明显，其次是阻尼，预紧力较小；在钢弹簧浮置板轨道上设置刚度为6.5 kN·mm^-1、预紧力为2 kN、阻尼为60 kN·s·m^-1的抑振调频装置后，基底加速度较减振扣件轨道和未安装抑振调频装置的浮置板轨道分别降低了74.5%和15.6%，有效提高了轨道系统的稳定性。     

“I”形和“T”形箱梁气动力和颤振稳定性研究

位于强台风区域的桥梁抗风分析是结构安全保障的一个重要步骤,而桥梁主梁外形会对其气动力和颤振稳定性产生较大影响。新津河五塔斜拉桥位于中国南部沿海地区-汕北,其主梁断面是在典型斜腹板箱梁(简称“T”形箱梁)的下腹两侧分别增加了悬挑板(简称“I”形箱梁)以作为人行和非机动车道,目前对此类主梁的气动性能研究较少。因此,基于CFD进行“T”形和“I”形2种悬挑翼板箱梁的数值模拟计算,比较分析2种形状箱梁在不同攻角下的三分力系数、压力分布特性和升力系数功率谱,为抖振分析和涡振评价提供支撑。同时,基于Scanlan颤振自激力模型,运用fluent动网格技术和强迫振动法,并通过最小二乘法识别2种主梁断面的8个颤振导数,然后基于Scanlan二维颤振理论获得了2种主梁截面的颤振临界风速。结果表明：“I”和“T”截面的阻力系数随攻角变化较小,整体上后者略大于前者。“T”截面升力系数和扭矩系数均小于“I”截面,且“T”截面升力系数1阶导数小于“I”截面,而扭矩系数斜率差别不大;小风攻角下,“I”形和“T”形箱梁的St分别为0.2和0.12,可见“I”形箱梁发生涡振的风速低于“T”形箱梁;“I”形箱梁比“T”...     

高速行车时多塔斜拉桥动力性能研究

以某三塔斜拉桥设计方案为背景,通过数值计算分析,研究高速磁浮列车通过多塔斜拉桥时的结构动力性能。研究表明,三塔斜拉桥由于一阶竖弯振型的反对称性,在列车荷载作用下其行车方向的第二主跨易发生二次激振现象,使该跨的动力响应大于第一主跨,且桥梁竖弯基频越低,二次激振效应愈明显。为了降低桥梁过大的动力响应,提出几种加劲措施,分析表明,采用钢桁架加劲方案能大幅度提高桥梁的整体刚度,极大地改善其力学性能;采用中塔塔梁固结、边塔漂浮的结构体系对桥梁整体刚度的提高较为明显,适于多跨长联多塔斜拉桥。     

南广线桂平郁江特大桥主桥抗风性能试验研究

研究目的:钢桁斜拉桥具有"跨度大、阻尼低"的特点,桥位一般处于山谷或江河,气象条件比较复杂,抗风性能应重点研究。本文以南广铁路郁江钢桁斜拉桥为工程背景,对其抗风性能进行分析研究及风洞试验,计算该桥的气动参数、动力特性和三分力系数,进行主梁节段模型试验、独塔气动弹性模型试验、施工及成桥全桥气动弹性模型试验和斜拉索雨振节段模型试验,得出有关钢桁斜拉桥抗风性能的一些结论。通过计算分析和风洞试验,研究其风荷载和风致响应特性,为郁江主桥的抗风设计、运营和施工期间的抗风安全和使用舒适性评价提供依据。研究结论:(1)节段模型试验结果表明,郁江桥没有观测到明显的涡激振动现象,颤振稳定性有较大的安全储备;(2)裸塔气弹模型试验结果表明,裸塔结构未发生驰振,也没有发现有影响施工的大振幅涡激振动;(3)全桥模型试验结果表明,郁江桥主梁未发生颤振、横向屈曲、扭转发散等静力失稳现象,也未发现影响施工涡激振动和影响运营的大振幅抖振;(4)斜拉索风雨振动试验结果表明,光滑索阻力较小,但是容易发生风雨振动现象,表面压花及螺旋肋条的斜拉索能够避免风雨振动的发生;(5)本研究结果对铁路钢桁斜拉桥的设计有一定的参考价值。