紊流风特性参数对近流线形桥梁表面风压分布影响

风洞试验时紊流风特性参数的模拟精度会对桥梁结构的抖振、颤振、涡振等试验结果产生影响,为了提高试验精度,分析紊流风特性参数模拟误差所带来的影响、总结桥梁结构表面风压分布受紊流风参数的影响规律,在风洞中采用格栅紊流,分别形成了紊流强度相同但积分尺度不同与积分尺度相同但紊流强度不同的几种局部紊流风场,以此来研究紊流风特性参数单独变化对桥梁结构表面风压分布规律的影响。结果表明:紊流强度增大会使桥梁表面平均风压系数绝对值减小,减小的幅度会受结构表面位置、风攻角等因素的影响。当位置或风攻角发生变化后,紊流强度增大导致平均风压系数绝对值减小的幅度也会发生变化,很难进行定量修正。大部分位置的脉动风压系数会随紊流强度增大而增大。但受栏杆、风嘴、检修车轨道等附属结构影响,这种趋势可能出现相反的变化。紊流积分尺度增大会使近流线形桥梁表面平均风荷载增大,对脉动风荷载影响很小。进行桥梁气弹模型试验时,应首先保证准确模拟紊流强度,在条件许可的情况下再准确模拟紊流积分尺度。积分尺度越小,表面压力相关系数也越小。相邻位置的脉动风压相关系数主要受特征紊流影响,与来流的积分尺度无关。     

联合风场作用下车桥系统风荷载数值分析

为确定车速和风速对高速铁路桥梁车桥系统风荷载的影响,以兰新第2双线铁路32m简支箱梁和CRH2型高速列车为对象,采用Star CCM+软件建立列车和桥梁的全尺寸模型,分别对列车风场和联合风场中的车桥系统进行模拟,分析车辆风荷载和桥梁风荷载随车速和风速的变化规律。结果表明:列车风场中,随着车速的增加,车辆的侧力逐渐增大,头车和尾车的升力逐渐减小,力矩逐渐增大,桥梁的侧力、升力和力矩逐渐增大,但数值均较小;联合风场中,随着车速的增加,头车的侧力和力矩逐渐增大,尾车的升力和力矩逐渐减小,桥梁风荷载与车速的相关性相对较弱;随着风速的增加,列车的侧力和力矩逐渐增大,头车的升力先增大后减小,尾车的升力先减小后增大,桥梁的侧力和力矩逐渐增加,升力先减小后增大。     

横风下π型断面大跨桥上汽车气动特性风洞试验（双语出版）

准确获得车-桥系统气动力是评估强风作用下桥上车辆运行安全性和舒适性的基本前提，为此必须考虑车辆与桥梁间存在的显著气动相互干扰。以山区大跨桥梁常见的π型断面主梁和集装箱货车为研究对象，设计并制作了1：32几何缩尺比的桥梁和车辆刚性测压模型，通过风洞试验测试了典型车-桥组合工况下车辆表面的风压分布，分析了前、后车辆干扰作用、车辆横向距离和车道组合方式等对桥上汽车气动特性的影响，并进一步分析汽车表面的风压值分布，以探究汽车气动力系数变化的机理。研究结果表明：前、后车辆间的干扰、车辆横向距离的改变对汽车的侧向力系数、阻力系数和升力系数均有较大影响，但对汽车的力矩系数影响较小，且汽车的力矩系数具有一定的离散性；车道组合方式中测试车辆位置的改变对汽车气动特性的影响大于干扰车辆位置的改变对汽车气动特性的影响，且车辆组合方式的改变对汽车的力矩系数基本没有影响；受桥梁π型主梁断面的影响，汽车侧向力系数的变化趋势与Coleman规律下的变化趋势不同。     

钢桁梁桥上列车双车交会气动特性风洞试验

为探究横风作用下钢桁梁桥上列车双车交会过程中气动力系数的突变机理,以某一大跨度公铁两用钢桁梁桥为背景,首先根据XNJD-3风洞实验室的尺寸设计了一套移动车辆模型试验系统;然后根据风洞阻塞比的要求设计了几何缩尺比为1∶30的桥梁和车辆试验模型;最后测试了横风作用下桥上列车交会过程中移动车辆模型的气动力。为尽可能地降低试验系统对运动车辆气动力的干扰,对原始时程数据进行了低通滤波处理,并分析了车速、风速、合成风向角、车辆所在轨道位置等因素对车辆气动力系数的影响。试验结果表明：双车交会时,背风侧运动车辆的气动力系数具有明显的突变趋势,迎风侧运动车辆的气动力系数变化较为平稳;列车交会时突变区域主要受运动车辆引起的列车风速的影响,且随车速的增加而增大,横风风速对突变区域影响较小;交会过程中背风侧车辆升力系数和侧向力系数的突变量随合成风向角的增大呈增大趋势,力矩系数突变量对合成风向角的变化不敏感;横桥向列车所处轨道位置影响其气动力系数。试验结果可为研究横风作用下高速列车-桥上交会过程的行车安全提供数据支持。     

横风下π型断面大跨桥上汽车气动特性风洞试验

准确获得车-桥系统气动力是评估强风作用下桥上车辆运行安全性和舒适性的基本前提,为此必须考虑车辆与桥梁间存在的显著气动相互干扰。以山区大跨桥梁常见的π型断面主梁和集装箱货车为研究对象,设计并制作了1∶32几何缩尺比的桥梁和车辆刚性测压模型,通过风洞试验测试了典型车-桥组合工况下车辆表面的风压分布,分析了前、后车辆干扰作用、车辆横向距离和车道组合方式等对桥上汽车气动特性的影响,并进一步分析汽车表面的风压值分布,以探究汽车气动力系数变化的机理。研究结果表明:前、后车辆间的干扰、车辆横向距离的改变对汽车的侧向力系数、阻力系数和升力系数均有较大影响,但对汽车的力矩系数影响较小,且汽车的力矩系数具有一定的离散性;车道组合方式中测试车辆位置的改变对汽车气动特性的影响大于干扰车辆位置的改变对汽车气动特性的影响,且车辆组合方式的改变对汽车的力矩系数基本没有影响;受桥梁π型主梁断面的影响,汽车侧向力系数的变化趋势与Coleman规律下的变化趋势不同。     

车辆对倒梯形钢桁梁桥风荷载影响的风洞试验研究

车辆与桥梁间显著的气动干扰随着大跨桥梁的建设和高速铁路的发展已成为人们关注的焦点,但现有研究大多以汽车或流线型高速列车和钝体简支梁为研究对象,且关注的重点往往是桥上列车的平均风荷载或列车对主梁平均三分力系数的影响。以大跨铁路常用的倒梯形钢桁梁桥为背景,对不同风攻角、车桥组合方式下车-桥系统的整体气动力进行测试,将车桥组合时桥梁受到的整体平均和脉动风荷载与单独成桥状态时的风荷载进行对比,分析横风下车-桥间气动干扰对车-桥系统所受总体气动力的影响规律,研究成果可为类似工程的风荷载取值提供参考。     

风屏障破坏所致风载突变对桥梁列车行车安全影响研究

为研究桥上风屏障局部破坏对桥梁列车行车安全性的影响，以某四塔公铁两用斜拉桥为背景，进行列车动力响应和行车安全性影响参数分析。推导列车通过风屏障破坏段时车辆和桥梁的风荷载，并通过桥梁和列车节段模型风洞试验，测得计算所需气动力系数；在此基础上建立风-车-轨-桥耦合振动模型，研究了风屏障破坏段长度、平均风速和列车车速对列车动力响应及行车安全的影响。结果表明：突风效应会导致列车横向位移达到最大值，遮风效应会使列车横向加速度达到最大值；随风屏障破坏段长度、平均风速和列车车速的增加，列车动力响应随之增加；风屏障破坏会增加列车的轮重减载率和脱轨系数，并且高风速下各节车辆在风屏障破坏段的脱轨系数差异较大；仅在风速不大于10 m/s时，列车可以180 km/h的车速安全通过风屏障破坏段。     

基于长短期记忆网络的桥梁非定常气动力预测

气动力是影响桥梁结构稳定性和安全性的关键因素之一，其演化规律受其自身非定常特性和计算机精度的影响，很难实现长时间预测。准确预测桥梁结构的气动力特性对结构设计和振动控制具有重要意义。风洞试验和数值模拟是目前气动力研究中应用最广泛的方法，但风洞试验成本高，且难以模拟复杂风场条件，数值模拟对计算资源又具有强依赖性。因此，为了实现计算量和计算精度的平衡，利用长短期记忆(Long Short-term Memory, LSTM)网络开发了一种不同风攻角桥梁非定常气动力时序预测模型。该模型以不同风攻角下0～n时刻的气动力系数为输入，以n+1时刻的气动力系数为输出。首先，基于开源Tensorflow库构建LSTM网络框架；其次，基于3°、4°和5°三个风攻角的桥梁主梁非定常气动力数值模拟结果构建训练集和测试集，并进行模型训练；最后，利用训练好的模型基于风攻角分布进行内插和外推预测。在内插预测时，基于风攻角为3°和5°时的气动力系数构建数据集对模型进行内插训练，对风攻角为4°时的气动力系数进行预测。在外推预测时，基于风攻角为3°和4°时的气动力系数构建数据集对模型进行外推训练，对风攻角为5°时的气动力...     

考虑车辆位置影响的风-车-桥系统耦合振动研究

风-车-桥耦合振动系统中车辆位于桥道的气动绕流之中，车辆所受气动力与车辆位置密切相关。首先测试了车辆位置对车辆及桥道气动力的影响，建立了空间耦合的风-车-桥系统分析模型。以京沪高速铁路南京长江大桥为工程背景，采用自行研发的桥梁结构分析软件BAN-SYS，对比分析了车辆位于桥道迎风侧和背风侧时风-车-桥系统的耦合振动情况。分析结果表明，风-车-桥系统耦合振动分析中考虑车辆位置的影响是必要的。     

上海长江大桥节段模型气动三分力试验

以主跨为730 m的钢主梁斜拉桥为对象,研究了栏杆、汽车等对汽车-钢主梁桥面系统的气动三分力系数的影响。进行了1∶60缩尺模型试验,开展了桥面无车状态、桥面有车状态和施工状态下的75个试验工况节段模型测力试验研究,并利用获得的三分力系数进行了全桥静风响应分析。结果表明:栏杆增加了主梁的阻力系数;桥面车辆的存在使车-桥系统的阻力系数降低,升力系数的绝对值变小,升力矩系数绝对值变小;3种状态中三分力系数越大,相应的侧向、竖向和扭转响应越大;随风攻角变化,栏杆、汽车对车-桥系统阻力、升力和升力矩的影响各不相同。     

扁平箱形桥梁断面静气动力系数雷诺数效应研究

在较大的雷诺数范围内测量了不同宽高比箱形桥梁断面的三分力系数,研究了三分力系数雷诺数效应以及宽高比对断面三分力系数雷诺数效应的影响。流线型桥梁断面的阻力系数、升力系数都有明显的雷诺数效应。宽高比对断面的三分力系数雷诺数效应有明显的影响。低雷诺数风洞试验得到的三分力系数用于实桥分析时偏于保守。     

风-列车-桥系统耦合振动研究综述

风-列车-桥（简称风-车-桥）系统耦合振动涉及多学科交叉,是双重随机激励作用下的时变耦合系统,是研究列车抗风安全性的主要方法之一。从提出风-车-桥的概念以来,国内外学者对此进行了大量的研究,取得了积极的进展,为进一步促进风-车-桥系统耦合振动的研究,从车-桥系统风荷载、车-桥耦合模型、风-车-桥耦合模型三部分出发,对风-车-桥系统研究的一些重要成果进行回顾和介绍。其中,车-桥系统风荷载部分包含静风力、抖振力（脉动风模拟和气动导纳）、风载突变效应3个方面;静风力方面,回顾车-桥静动态系统气动特性的风洞试验方法及数值模拟方法,讨论不同试验和分析方法的优缺点及其适用的情况;抖振力方面,介绍脉动风模拟方法以及气动导纳的计算方法;风载突变方面,介绍横风作用下列车过桥塔及双车交会时风洞试验和数值模拟方法。车-桥耦合振动模型部分,回顾车辆分析模型和车-桥系统的求解方法。风-车-桥耦合模型部分包含分析模型、耦合机理和实际应用3个方面,回顾风-车-桥系统的耦合机理,结合实例介绍风-车-桥系统耦合振动方法的实际应用。最后,结合当前风-车-桥系统研究的不足之处,提出车-桥动态系统气动特性的风洞试验技术、风-车-桥系统的精细化分析模型、现场实测、可靠度及其评价准则是其今后的主要研究方向。     

大跨桥梁实测湍流风场的大涡模拟

为实现在大涡模拟(LES)中准确评估强风湍流对大跨桥梁的作用,关键难点在于生成符合桥梁真实强风特性的入口湍流。为此应用了一种新的规则化波矢量随机流生成方法PRFG³(Prescribed-wavevector Random Flow Generator),该方法遵守连续性方程和泰勒假设,可准确模拟目标湍流的脉动风谱、湍流度和湍流积分尺度等风特性参数。首先利用西堠门大桥结构健康监测系统(SHMS)2016年内采集的风速数据,选取了该桥址区10 min时距平均风速较大但风特性不同的2个强风样本,分析得到相应的强风特性参数;然后采用PRFG³方法合成了符合上述2个实测强风特性的均质各向异性湍流,同时为验证该方法用于主梁节段模型LES入口湍流的适用性,还模拟了缩尺比为1∶50的强风湍流场,并基于OPENFOAM平台,将3类风场赋予LES入口进行了数值计算;最后将LES流场中多个监测点的湍流特性与实测结果进行了对比。研究结果表明：2个实测风场在顺风向、横风向、竖风向的脉动风谱均与Von Kármán谱接近,顺风向湍流积分尺度最大约为192 m,各脉动风...     

桥塔遮风效应对移动列车气动参数及行车安全的影响

为研究桥塔遮风效应对移动列车气动参数的影响，以沪通长江大桥这一钢桁梁斜拉桥为背景，基于移动列车模型试验装置，设计了缩尺比均为1：30的桁梁、桥塔和CRH3列车模型，依托XNJD-3风洞实验室进行了一系列试验。基于测试结果，分析列车通过桥塔区域时车速、风速以及合成风向角对列车气动参数的影响，并利用风-车-线-桥耦合振动模型分析了桥塔处气动参数突变对CRH3列车行车安全的影响。研究结果表明：桥塔遮风效应对移动列车影响显著，车辆气动参数在桥塔区域呈现突变的现象，升力系数和阻力系数经历了先减小后增大的过程，力矩系数则先增大后减小；风速越低，气动参数曲线在桥塔处的突变程度越大；气动参数曲线的突变宽度远大于桥塔自身的宽度，且车速越高突变宽度越大；合成风向角越小，列车气动参数在桥塔区域的变化越显著；列车离开桥塔区域时，桥塔尾流会造成升力系数和阻力系数局部增大；在考虑桥塔遮风效应的情况下，列车车体加速度在桥塔区域急剧增大，当列车远离桥塔区域时又逐渐减小；桥塔遮风效应会威胁列车的行车安全，未考虑桥塔遮风效应的分析结果是偏不安全的。     

湍流DSRFG与LES风场沿计算域流向变化的影响因素

为生成满足桥梁风工程大涡模拟（LES）要求的入口湍流风场,以丹麦大带桥桥址风特性为例,采用离散再合成的随机流动生成（DSRFG）方法合成了满足目标湍流度、积分尺度、脉动风速谱及空间相关性等参数的各向异性湍流;讨论了DSRFG方法在生成湍流风场上关键参数的合理取值;基于Fluent平台,通过自主开发的用户自定义函数（UDF）程序将生成的湍流风场赋给大涡模拟的入口边界,基于LES研究了不同网格尺寸和时间步长取值,入口湍流风场在计算域流向的变化规律。研究结果表明：DSRFG方法能生成满足桥梁LES模拟要求的指定湍流特性风场,产生的风场风谱和速度分量统计值与目标值吻合较好;入口湍流风场特性在计算域流向有较好的维持,脉动风谱在低频段与目标谱吻合较好,高频段出现一定衰减,而衰减起始频率随网格尺寸和时间步长的减小而增大。最后拟合了网格尺寸与脉动风谱衰减起始频率的关系曲线,建议了LES合适的网格尺寸和时间步大小,相关研究结果可为湍流风场模拟和桥梁风工程大涡模拟提供重要参考。     

节段模型长宽比对风洞测力试验及计算分析的影响

为提高风洞试验数据的可靠性、了解节段模型端部效应对试验结果的影响,通过风洞试验与数值模拟相结合的方法针对典型桥梁断面制作多组不同长宽比的节段模型研究了节段模型长宽比对三分力系数的影响。利用不同长宽比节段模型试验得到的三分力系数,分析三分力试验误差对静风稳定性及抖振响应的影响。为进一步扩大模型长宽比的研究范围,借助了CFD方法重现风洞试验,在保证数值模拟精度的前提下开展了多个长宽比模型的气动力与流场分析,系统总结不同长宽比模型端部效应的影响规律。分析结果表明:为保证测力试验结果的精度和稳定性,节段模型长宽比建议大于等于3,对于流线型箱梁断面,可以适当放宽要求,节段模型长宽比应大于等于2;当长宽比小于建议值,得到的静风稳定结果和抖振响应结果偏危险,长宽比越小,偏差越大;流线型箱梁阻力系数单侧"影响区"的量纲一的长度约1,升力矩系数单侧"影响区"量纲一的长度约为0.6,升力系数的单侧"影响区"量纲一的长度明显远大于其他气动力系数。流线型断面顶板、底板的压力分布对长宽比的变化较为敏感,上、下游侧斜腹板的压力分布受长宽比的影响较小。     

汽车风洞双车试验来流湍流特征研究

基于自主研发的真实道路来流参数测量系统,对多地区、多场景真实道路行驶来流湍流强度进行了测试,发现车辆道路行驶时来流湍流强度远高于风洞水平,道路平均湍流强度为4%,沿海地区湍流强度最高可达20%,在跟车或超车时湍流强度可达 28%。在汽车风洞内模拟了道路行驶跟车、超车等试验场景,对测试车辆气流环境进行了采集分析。结果表明,跟车和超车时,后车来流湍流强度较高且伴随有速度损失,湍流强度及速度损失大小与前车尺寸和跟车距离有关,湍流强度分布范围为2%～33%,与道路实测相当,且速度损失最大为19%。进一步探究了前车放置角度、风洞风速对后车来流湍流强度的影响规律,建立对后车来流湍流强度定量调节的方法。完成了双车风噪测试,结果表明,风洞内高湍流强度环境车内风噪测试调制频谱结果与道路行驶测试结果相符,车内风噪频谱曲线差异主要集中在小于70 Hz的低频段。     

斜独塔混合梁斜拉桥风-汽车-桥梁系统耦合振动研究

针对公路汽车三维绕流特性显著的特点,按照准定常理论推导了适用于公路汽车的脉动风荷载表达式。将自然风、公路汽车、桥梁作为一个统一的相互作用系统,采用风-汽车-桥梁系统耦合振动分析模型,以某斜独塔混合梁斜拉桥为工程背景,研究侧风作用下汽车-桥梁耦合振动特性,并讨论了汽车-桥梁振动的影响因素。研究结果表明：由于桥梁和汽车的气动特性差异,桥梁的竖向抖振现象较横向抖振现象突出,而汽车的横向振动现象较竖向振动更明显。