九堡大桥桥址台风“海葵”近地风特性实测研究

为给东南沿海地区桥梁结构抗台风设计提供依据,基于九堡大桥(钱江八桥)上安装的桥梁健康监测系统的风速风向监测子系统,对2012年台风"海葵"气候条件下风速风向数据进行了全程采集,根据实测数据对台风过程中的脉动参数(平均风速与风向、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风速功率谱)进行统计分析。分析结果表明:基本时距为10min时,纵向及横向脉动风速湍流度随时间的变化趋势基本一致,随平均风速的增大而减小;各向阵风因子随平均风速的增大而减小,横向与纵向阵风因子均值的比值为0.30,风速较小时,阵风因子减小速率较快,而风速较大时,减小趋势不明显;各向的湍流积分尺度均随平均风速的增大而增大;实测脉动风速谱与Von Karman谱基本符合。     

U形峡谷桥址区风特性实测研究

山区桥梁桥址区风场特性相比平原地区更加复杂,具有强烈的地形效应。针对某U形峡谷中三塔斜拉桥的中塔建立了高度方向的多个测点,测得了不同高度处的风速时程,通过统计分析得到桥位的平均风参数和脉动风参数及其统计规律。分析结果表明,该峡谷桥址区的平均风速剖面受地形影响大而且形式复杂,风攻角比规范推荐值大,顺、横、竖风向的湍流度比值与规范值的差异明显,湍流积分尺度、脉动风功率谱与规范相比也有所区别。     

山区特大跨径桥梁桥址处风特性实测研究

为研究山区桥址处的风场特性,基于西南山区某特大桥结构健康监测系统,对桥址处实测风场特性进行分析,并与规范推荐值比较。结果表明：1)大部分风速时程处于平稳状态,横向脉动风速的非平稳性高于纵向脉动风速;2)实测风速时程平均风速有跳变波动,平均风向保持平稳;3)各向湍流强度、阵风因子在低风速区段随平均风速的增大而减小,在高风速区段随平均风速的增大而趋稳;4)实测纵向阵风因子超过规范推荐值,纵向阵风因子与湍流强度具有较强的相关性,实测拟合曲线较Ishizaki推荐值偏小;5)实测功率谱值在低频区逐渐增大,在高频区逐渐减小,Von Karman经验谱能描述实测数据的脉动特性。该研究结果可为同类桥梁结构抗风设计提供依据。     

南广铁路西江大桥桥位处良态风特性实测研究

为给复杂地形下的桥梁抗风设计提供指导,以肇庆南广铁路西江大桥为工程背景,依托大桥风环境监测子系统,对桥位处风场进行了现场实测,并以该实测数据为分析样本,从平均风与脉动风两方面研究了其风场特性,同时针对大桥不同测点风速展开了空间相关性分析。实测结果表明:受地形影响,桥位处10min平均风速呈非高斯分布,湍流强度、阵风因子随高度增加呈增大趋势;湍流强度、积分尺度均大于规范推荐值,纵向脉动风功率谱在高频段与Kaimal谱吻合较好,而在低频段相差较大,跨中与拱顶实测相关系数与Davenport公式计算值均存在一定偏差;基于此类地形下的桥梁设计需考虑地形的影响。     

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...     

高精度入口边界的峡谷桥址风场数值模拟

山区峡谷地区由于受特殊地形地貌条件影响使得其风场十分复杂,这些地区建立的大跨度桥梁面临着更为突出的风致振动问题,而当前规范对峡谷桥梁的抗风设计还没有明确规定。为更加深入认识峡谷风场的分布特性,基于WRF与CFD耦合模式对峡谷桥址风场进行精细化分析,在中尺度气象模式基础上结合多项式插值方法获取入口边界的平均风速,同时对峡谷桥址上游风速进行实时监测,利用实测站脉动特性互等的原则获取数值模拟入口位置的脉动特性。将平均风速和脉动风速综合考虑后利用UDF程序赋给大涡模拟的入口边界并对峡谷桥址位置风场进行详细分析,最后将模拟结果与实测结果的湍流特性进行对比。研究结果表明：考虑脉动风速后的入口边界条件相比于无脉动入口风速其湍流特性与实测值吻合更好;中国现有规范中的标准谱不适用于复杂峡谷桥址地区,如用现有规范设计山区峡谷桥梁,其结果偏不安全;来流风向与峡谷走向是引起加速效应的主要原因,峡谷上游的复杂局部地形是引起峡谷桥址风场多样性的根本原因。研究成果可供山区峡谷大跨度桥梁抗风设计提供参考。     

深切峡谷地貌桥面行车高度风环境现场实测研究

为研究深切峡谷地形条件下的桥面局部风场,对桥梁跨中和过桥塔区局部区域风环境开展了现场实测。对局部风场特征进行了讨论分析,其中包括平均风速特征、紊流度、脉动风速功率谱和极值风速分布等。探讨了跨中和桥塔区位置风剖面分布,同时给出了跨中和桥塔区的平均风速拟合关系,量化了过桥塔区顺桥向风速分布的桥塔遮挡效应和地形加速效应,总结提出了一种典型的过桥塔区顺桥向风速曲线模型。此外,桥塔区域风速紊流度显著大于跨中位置,表明桥塔和特殊地形对局部风场存在较大影响。桥塔区脉动风速实测谱高频段能量明显上升,与惯性子区谱-5/3斜率衰减效应变化特征不符。相较于规范风谱,推荐了3阶双对数多项式,可更加准确地表征脉动风湍流能量在频域上的分布特征。对瞬态阵风极值风速的分析结果表明,相较于平均风速,极值风速用于评估行车安全更为合理。     

山区峡谷桥梁抗风设计风速的确定方法

首先通过分析四渡河峡谷大桥桥位周边地区标准气象站的基本风速数据,拟合基本风速和海拔的变化关系,用海拔修正确定山区峡谷大桥的基本设计风速;然后通过地形模型风洞试验研究影响山区峡谷风速的主要因素。结果表明：山区峡谷风速主要受峡谷风、越山风和遮挡三大类地形效应影响,相应风向的设计风速大小可用地形系数修正;山区峡谷桥梁的设计基本风速受海拔影响很小,随着海拔增高,基本风速略有增大;山区峡谷桥梁的抗风设计风速等于桥位的基本风速乘以地形修正系数,而平坦地貌的平均风速剖面模型已不再适用。     

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。     

山区桥梁风场特性分析系统的开发及应用

山区桥梁建设日益增多,而现有的抗风规范对受地形等复杂因素影响的山区风特性并未给出具体的参数取值.该文结合山西省禹门口黄河斜拉桥这一实际工程,编制了基于C++Builder平台的桥梁风场特性分析系统,对桥址处实测风速数据进行了分析计算,得到了桥址处平均风速和风向、风剖面指数、湍流度等风场特性.     

西堠门大桥强风特性、位移和桥面压力实测研究

利用现场实测方法对西堠门大桥桥址区脉动风场特性、主梁位移以及主梁断面压力等进行研究,经对实测数据的统计分析,得到平均风速、平均攻角、紊流强度、阵风因子、紊流功率谱密度等强风特性,得到了主梁实时位移和桥梁的动力特性,并通过测压方法得到主梁断面的脉动压力值及压力谱值等.     

脉动风的数值模拟

工程中为方便研究风对工程结构的作用,通常将其处理成2部分,即一定时间内不随时间变化的平均风和随时间随机变化的脉动风。文中主要研究其脉动风部分,介绍了风的一些基本特征,以及脉动风国内外几种常用的模拟方法,阐述其数值模拟理论,根据所选用的线性滤波法,结合京包铁路分离式立交桥桥址处气象资料,用MATLAB软件编程模拟脉动风,并得到风速时程曲线,将模拟出的功率谱与目标谱对比其拟合度,结果表明,模拟谱与目标谱吻合度较高,模拟的结果较为可靠。     

基于ANSYS的移动模架造桥机结构风振响应分析

从风载荷的特性分析入手,由Davenport脉动风速谱推导出风力的功率谱密度函数,并利用ANSYS软件的谱分析技术对特定工况下移动模架造桥机的挂架系统在顺风向脉动风载荷作用下进行了瞬态动力学方面的分析研究。结果表明:移动模架造桥机挂架系统结构在顺风向脉动风作用下其风振响应较小。     

利用尖劈和粗糙元技术模拟大气边界层的研究

在尖劈和粗糙元大气边界层模拟技术的基础上增加了格栅挡板这一涡旋发生器,有效地提高了风洞上方的湍流强度,利用该组合边界层发生装置建立了边界层风场.测量了模拟风场的平均风速剖面,湍流强度剖面,风谱等参数.讨论了格栅挡板增加后风场平均风速剖面和湍流强度剖面的变化.三角形尖劈阻风面积沿高度递减产生近似线性的风速剖面,粗糙元调整平均风速和湍流度剖面分布,格栅挡板提高了风洞上方的湍流度.结果分析表明:试验所得风场满足模型试验所要求的小粗糙度和大湍流度的要求.然而,模拟风场的湍流功率谱和积分尺度的高度变化规律和实际大气边界层相反,这是由尖劈下宽上窄的构造特点所决定的.     

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。     

怒江特大桥抗风性能研究

勐糯怒江特大桥为主跨800 m大跨悬索桥，具有结构柔、对风荷载敏感等特点，且大桥跨越怒江深切峡谷，导致桥址处风环境复杂、设计风速较高，非常有必要进行抗风性能研究。因此，对桥位环境风速进行实测，结合数值模拟分析和地形模型试验成果，研究桥址峡谷风效应，确定风特性参数，作为大桥风致振动研究的基础；结合数值模拟分析、节段模型试验和全桥气弹模型试验多种方法相互验证，确保大桥在设计风速下不发生颤振、驰振及明显的涡振现象，大桥抗风性能满足规范要求。     

山西禹门口黄河大桥实测风特性分析

自然风特性研究是桥梁抗风设计的基础,但是目前国内对大气湍流特性的现场观测研究工作开展得还极少,针对这一情况,结合山西省禹门口黄河公路大桥,在桥址处建立了一座60 m和两座30 m的风观测站.利用自行编制的程序对实测风速数据进行了分析,得到了平均风速和风向、风剖面、湍流强度和阵风因子等强风特性.分析结果表明:桥位处的风场比较复杂,风剖面属于山区风速剖面,不完全遵守幂指数分布;桥位处出现28.3 m/s大风机率很大,应进行主桥最大双悬臂状态抗风安全性能的风洞试验,以确保主桥悬臂施工期间的安全;还应进行长期观测,得到更多详实资料,为掌握同类地形处的风场特性提供资料.     

山区峡谷桥址地形模型过渡段优化

针对山区峡谷桥址地形模型入口边界确定问题,以贵州省湘江特大桥桥址处地形为依托,选择维多辛斯基曲线作为地形模型过渡段的基本曲线形式,采用计算流体动力学方法对不同曲线参数进行计算,并结合关联度权重确定法确定最优过渡段曲线参数。在此基础上设计并制作了几何缩尺比为1：1 500的桥位地形模型,分别进行了有、无过渡段地形模型的风洞试验,对比了地形模型有、无过渡段对桥位桥面高度处横桥向风速、风攻角以及桥梁总长1/4跨、1/2跨、3/4跨风剖面的影响。过渡段曲线的二维数值模拟结果表明：采用最优过渡段可有效降低模型边界后方气流等效风攻角,并最大程度地保持入流风速,减小过渡段后湍流度;设置过渡段后风速场分布特性与入流参考风速场分布特性的一致性较好。地形模型风洞试验结果表明：曲线过渡段使风剖面逐渐抬升,气流过渡平缓,不存在明显的加速效应,剪切层发展较慢;设置过渡段后不同风剖面位置处平均风速较无过渡段时大,湍流强度较无过渡段时低;设置过渡段对桥梁主梁高度处风攻角存在一定的影响,但有、无过渡段时的风攻角变化趋势大致相同;采用优化后的过渡段使风剖面逐渐抬升,减小了"人为峭壁"对地形模型试验结果的影响,主梁高度处横桥向风速总体大于无过渡段时主梁高度处横桥向风速。     

基于WRF的山区峡谷桥址风场数值模拟

为解决山区峡谷风场数值模拟过程中入口边界难以合理给定的问题,在中尺度气象模式(WRF)基础上利用多尺度耦合方法对山区峡谷桥址风场进行了精细化数值模拟。模拟过程中,首先基于WRF利用多尺度耦合的方法得到山区峡谷入口处的中尺度速度场信息,然后以入口边界位置风场波动情况为原则,对模拟的中尺度风场信息在耦合面进行分块,分块后分别运用多项式方法将其风速进行拟合,并通过UDF程序将拟合的速度赋给大涡模拟的入口边界。最后以张家界澧水大桥所在峡谷为研究背景,在桥址位置安装风速实时监测系统,将现场实测结果与所提方法的数值模拟结果进行了对比。研究结果表明:WRF的运行结果通过降尺后能较好地运用在山区峡谷风场CFD数值模拟的入口边界上,这种处理较好地解决了山区峡谷风场数值模拟过程中入口平均风的给定问题;分块多项式拟合插值方法解决了以往数值模拟过程中出现的"人为峭壁"问题;利用该方法可以较为准确地得到桥址处平均风速、风向角和风攻角等参数的分布情况。     

沿海大跨径桥址处台风“山竹”风特性实测研究

为给沿海地区桥梁设计及后期维护提供依据,对沿海地区强风特性进行研究。以广东省某大跨径桥梁结构为背景,基于其风环境监测系统实时采集的台风"山竹"登陆过程中32h风速时程数据,对台风的平均风速、风向角、湍流强度、阵风因子以及峰值因子等风特性参数进行了分析。结果表明:台风风速具有显著的非平稳特性;与规范推荐值相比,风场横向与纵向湍流强度比值偏小,竖向与纵向湍流强度比值偏大;湍流强度、阵风因子和峰值因子随平均风速的变化趋势相近,在风速较小区域呈下降趋势,在风速较大区域相对平稳;纵向湍流强度和纵、横及竖向阵风因子随时距的增大而减小;峰值因子的概率密度分布曲线与高斯分布曲线较为吻合;阵风因子与湍流强度呈现较强的正相关性。