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。     

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。     

Larsen广义涡激振动模型在大跨度桥梁抗风设计中的应用

基于Allan Larsen广义单自由度涡激振动模型,借鉴Wilkinson沿跨向涡激力相关性函数试验结果,建立大跨度桥梁主梁沿跨向涡激振动描述体系,并探讨节段模型试验识别气动参数方法。以一座大跨斜拉桥为例,在考虑了振型、涡激力相关性和阻尼作用后,根据主梁节段模型风洞试验识别气动参数,并计算其沿跨向竖向涡振响应。     

基于位移测量的非线性涡激力模型参数识别方法

利用半经验数学模型来近似表示涡激力是目前研究涡激共振所采用的主要方法,但关于非线性涡激力模型参数的试验识别研究还较少,现有识别方法也有待改进。为了更方便可靠地识别非线性涡激力模型中的参数,根据能量等效原理推导出一种基于节段模型位移响应的气动参数识别新方法。通过节段模型风洞试验测得中央开槽箱梁断面的扭转涡激共振位移响应,应用新方法识别简化非线性涡激扭矩模型中的气动参数,并对参数识别精度做出评价。将新方法与Ehsan等所建议的位移法以及基于实测力时程的三步最小二乘拟合法进行了对比。结果表明：利用新方法识别得到的气动参数可以较好地预测系统的扭转涡激共振位移响应;基于一致的系统线性机械参数,新方法识别得到的气动参数与Ehsan等所建议位移法的识别结果基本相同,而新方法能进一步考虑对识别结果影响较为显著的机械参数非线性特性;当新方法考虑非线性机械参数时,其识别结果和基于实测力时程的三步最小二乘拟合法相比也十分吻合,并且新方法更为简便。     

不同尺度扁平箱梁节段模型涡激振动风洞试验

大跨度桥梁涡激振动振幅的判定,采用大尺度主梁节段模型风洞试验可得到更精细的结果。为分析模型尺度对试验结果的影响,通过对南京长江四桥主梁1∶50和1∶20两种几何尺度扁平箱梁节段模型的涡振试验,对比两者在涡振振幅、涡振风速、涡振区、St等方面的差异,并结合雷诺数效应、阻尼比、模型细部模拟等影响因素进行分析。得知模型几何尺度越大,Re和St越大,CD越小,涡振振幅越小;常规尺度模型细部模拟的误差可能会显著影响涡振振幅;Sc增大时,锁定状态下结构振幅减小,涡振区也随之变窄,但Sc增大并不改变St数。     

有限元方法计算桥梁涡激振动响应

本文研究用有限元法计算桥梁涡激振动的时程响应：应用条带假设和半经验半解析的Scanlan第二涡激作用力模型实现涡激作用力在时间和空间上的离散化；针对Scanlan模型中Vander Pol性质的时间频率混合项，引入时频混合格式的A丌方法来计算涡振时程响应，并通过算例验证了该方法的可行性。与传统的连续模型和随机振动理论计算桥梁涡激响应方法相比，时程计算可以考虑多振型的组合作用，结构非线性等多种影响，具有更大的灵活性。     

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。     

不对称钢箱梁涡激振动性能及制振措施研究

锦江人行天桥全长698 m,主桥部分上部结构为桅杆式斜拉桥,下部结构采用V形钢桥墩,主梁断面为左右不对称钢箱梁。为研究不对称钢箱梁断面的涡激振动特性,同时消除可能存在的涡激振动对主桥运营安全的影响,对主梁断面开展了1∶20节段模型风洞测振试验,针对主梁受气动干扰敏感和可调节气动外形的区域进行涡激振动气动措施研究。试验结果表明：不对称钢箱梁在前后两侧来流工况下,主梁均出现了涡激振动现象,但各工况下的涡振现象和风速锁定区间不同;对比了去除主梁栏杆和对栏杆间隔封闭的气动措施,采用对栏杆隔三封一能够抑制主梁的涡激振动。本研究所提出的制振措施可为类似工程研究提供参考。     

斜拉索涡激振动的被动自吸吹气流动控制

圆形斜拉索长细比大、阻尼及刚度小,因而其经常发生风致振动,尤其是涡激振动。涡激振动是一种限幅振动,其发生风速较低,因而斜拉索经常发生涡激振动现象,为此提出一种被动自吸吹气流动控制措施来抑制斜拉索涡激振动。通过节段模型气弹试验得到,被动吸吹气控制方法在套环间距适当下使得斜拉索涡激振动区间变窄,甚至可以完全抑制其发生涡激振动。通过分析斜拉索节段模型表面压力分布,得到被动自吸吹气能大幅度降低压力脉动值和脉动风荷载;且模型背风面的平均压力值的平台区也有所提升,表明平均阻力也有所减小。频谱分析表明：此控制方法改变了旋涡脱落模式及脱落强度。最后由尾流速度剖面可得,被动吸吹气流动控制方法缩小了模型尾流区宽度,尾流中的速度脉动也极大降低。折算风速为5.99时,对尾流速度时程做频谱分析可得,吸吹气控制方法能抑制住无控圆柱模型尾流中周期性交替脱落的旋涡。套环控制方法应用于三维柔性索性索模型上,能极大地降低柔性斜拉索的前三阶涡激振动幅值,同时发现套环间距越小,控制效果越强。     

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...     

悬索桥吊索高阶涡激振动及摆锤式MTMD减振技术研究

为了解大跨度悬索桥吊索出现的大幅高频振动现象,并进行减振,以国内某主跨1688 m的悬索桥为背景(最长吊索长184.6 m),基于理论方法和施工期吊索大幅高频振动实测结果,分析吊索的振动类型及参数(频率、阻尼比);提出一种摆锤式多重调谐质量阻尼器(MTMD,其由一定形状的锤头提供质量参数,由钢绞线提供刚度及阻尼参数),采用有限元和室内试验的方法,分析其振动特性,并进行实桥验证。结果表明:该桥吊索振动频率范围为5~25 Hz,阻尼比低,单个吊点的多根吊索易发生同相位的高阶涡激振动;摆锤式MTMD单个锤头具有2个控制主频,自身阻尼比约10%,具有位移放大作用,对高频振动的响应灵敏,在很宽的频率范围内具有很好的减振性能;摆锤式MTMD可有效增加吊索自身阻尼比,控制吊索高阶涡激振动,实测减振效果达到90%以上,具有很好的实用性。     

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。     

大跨度悬索桥的多阶模态竖向涡振与控制

大跨度悬索桥具有多个竖向模态密集分布的特性。在常遇风速范围内,从低到高的各阶竖向模态随风速升高而逐个发生涡振,这就是大跨度悬索桥的多阶模态涡振问题。针对这一问题开展深入研究,讨论中国公路桥梁抗风设计规范中竖向涡振容许振幅的合理性;阐述了利用节段模型风洞试验和理论分析综合预测实桥多阶模态竖向涡振响应的基本方法,得到了各模态阻尼比相等时悬索桥各阶模态竖向涡振振幅基本相等的结论,并通过特殊设计的悬索桥竖向等效气弹模型和塔科马桥涡振实测资料,验证了这一结论;指出在既有桥梁上追加气动措施或安装调谐质量减振器抑制悬索桥多阶模态涡振都有很大的难度,进而提出了在加劲梁与桥塔之间安装直接耗能阻尼器的设想,并进行了气弹模型试验验证;讨论了采用电涡流阻尼器进行半主动涡振控制的可行性。研究结果表明：在相同阻尼比条件下大跨度悬索桥各阶竖弯模态的最大涡振振幅基本相等;依据最大加速度幅值按频率比的平方增加的原理,满足人体振动舒适性的高阶竖弯模态的容许振幅必然小于低阶模态,因此要更加重视起振风速在容许行车风速（25 m·s^-1）以内的高阶竖弯模态涡振;对于漂浮体系悬索桥,在加劲梁与对应桥塔之间设置阻尼器可有效抑制多阶模态涡振。     

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。     

杭州湾跨海大桥车桥空间耦合振动参数分析

将整个车桥系统划分为车辆与桥梁两个子系统,引入车桥系统几何协调条件和力学平衡关系,采用含增量动力平衡迭代格式的Newmark-β方法编制了汽车-桥梁系统空间耦合振动分析程序,并采用弹簧质量系统匀速通过简支梁对程序的可靠性进行了验证。然后以杭州湾跨海大桥为工程实例,运用所编制程序详细研究了车辆数目、车辆间距、不同车道、车辆相向行驶、不同路面粗糙度以及不同车速时车流通过桥梁时主梁跨中的动力响应和冲击系数。研究发现:主梁跨中冲击系数随着路面粗糙度变坏而明显增大,与车辆数目、车辆间距、车辆相向行驶以及车速没有必然联系。     

栏杆基石对闭口箱梁桥梁涡振性能影响的机理

为研究检修道栏杆基石对桥梁涡激振动性能的影响,依托中国某主跨808 m的超大跨度闭口箱梁加劲梁悬索桥,通过主梁大比例节段模型弹性悬挂测振测压风洞试验获取模型风致振动响应和表面各测点压力时程数据,测试原设计断面在±5°攻角范围内的涡振性能,对比分析3种不同栏杆基石位置和高度工况下主梁涡振响应性能和桥面测点脉动压力系数均值、均方差、压力功率谱以及局部气动力和总体气动力的相关性。研究结果表明：依托工程主梁设计断面发生了显著的竖向和扭转涡激共振,且扭转涡振显著超出规范允许值,主梁涡振性能随来流风攻角的增大而变差。主梁表面实测脉动压力数据分析显示,由于栏杆和基石的阻挡,箱梁上表面气流分离后在后部再附,导致上表面前部和中后部发生了强烈的压力脉动。上表面前部、后部以及下表面迎风区斜腹板局部气动力与总体气动力具有很强的相关性,这也是导致主梁发生显著扭转涡振的根本原因。将栏杆基石移至桥面板边沿显著减小了上、下表面压力脉动,上表面前部和后部气动力相关性被破坏,可以大幅抑制涡振;将栏杆基石移至桥面板边沿,并降低栏杆基石高度抑制了气流在上表面后部的再附现象,断面压力脉动被削弱,局部气动力和总体气动力相关性被完全破坏,从而有效抑制涡振。