数值模拟桥梁断面气动导数和颤振临界风速

从描述流体绕运动的刚性断面流动的N S方程出发,首先采用时间二阶Projection 2算法对控制方程作分裂步处理,得到的求解方程空间离散采用有限体积法,物面运动方式为自由度解耦的强迫振动,采用计算网格和刚性截面刚性连接、同步运动的动网格技术,数值模拟了振动的大带东桥绕流场,由计算的气动力按最小二乘法提取气动导数,最后计算了大带东桥的颤振临界风速。计算的大带东桥气动导数与风洞试验有很好的一致性,大带东桥颤振临界风速模拟值与风洞试验结果偏差很小,证明了本文数值方法的正确性和工程适用性。     

桥梁主梁断面颤振导数的强迫振动识别法

介绍了颤振导数识别的强迫振动方法试验装置及识别原理，用它进行了三种典型断面形式的颤振导数识别，研究了不同驱动频率、振幅对识别结果的影响。研究结果表明：强迫振动法具有试验数据重复性好、测定折减风速范围宽、无需复杂的系统识别过程即可得到交叉导数项等一系列优点。     

气动力矩阵和气动导数对桥梁颤振稳定性的影响

采用集中气动力矩阵和一致气动力矩阵2种不同形式的气动力矩阵,并利用4种不同截面的气动导数研究了气动力矩阵对颤振临界状态的影响;采用理想平板的气动导数研究了各气动导数对颤振临界状态的影响。结果表明:采用集中气动力矩阵可降低颤振临界风速,使结果偏于保守;各气动导数对量纲一的风速和颤振临界风速均有一定影响,而对颤振频率影响较小,从而进一步证实了采用流线型断面形式的桥梁,其颤振形态是弯扭耦合的经典颤振。     

拉条模型风洞试验测量桥梁颤振导数的理论与方法

颤振导数的测量在桥梁抗风设计中占有非常重要的地位，是预测桥梁颤振稳定性和计算抖振力的基础，其通常通过节段模型试验模拟主梁振动折减频率进行模态识别而得到的。本文讨论了通过拉条模型试验，用自由振动法测量颤振导数的理论过程，并探讨在全桥模型中使用自由振动法测量颤振导数的可行性。     

不确定气动干扰效应影响下并列大跨度桥梁颤振导数识别方法

将处于自然风中一前一后并列布置的大跨度桥梁相互之间可能存在的不确定相互气动干扰处理成随机气动干扰,并归入到紊流风随机激励中,采用基于模态参数识别的随机子空间识别方法,开发了桥梁断面颤振导数识别的专用程序,并以具有理论解的Theodorsen平板为例,通过系统响应数值仿真和颤振导数识别,验证了该方法的可靠性。针对实际大跨度桥梁,设计了并列节段模型试验悬挂系统,开展了紊流风和随机气动干扰效应下的并列大跨度桥梁节段模型风洞试验,将迎风、背风侧桥梁断面的颤振导数结果与均匀流、紊流风中单个桥梁断面颤振导数值进行了对比。结果表明:背风侧桥梁对迎风侧桥梁的颤振导数影响很小,而迎风侧桥梁对背风侧桥梁的颤振导数有较大影响;该研究方法为存在这种随机气动干扰的并列大跨度桥梁颤振导数识别提供了一个较为合理的途径。     

桥梁多模态耦合颤振分析的新方法

提出一种桥梁耦合颤振分析的新方法。这一方法给出用以估计竖向弯曲与扭转模态耦合的桥梁系统模态特征闭合表达式,对较好地设计结构系统与桥面截面,从而使桥梁具有良好的颤振特性有着重要意义。     

基于ANSYS的桥梁全模态颤振频域分析方法

提出了一种在ANSYS中直接分析大跨桥梁三维全模态颤振的有限元模型和频域方法。该有限元模型采用ANSYS的自定义单元Matrix27来模拟桥面受到的自激气动力，而将单元Matrix27的刚度或阻尼矩阵描述成风速和振动频率的函数。通过阻尼特征值分析，确定风一桥耦合系统的各复特征值，其中复特征值的实部为阻尼而其虚部则为振动频率；并给出了求解系统各阶复模态特性随风速变化的迭代算法。最后以一简支梁桥和一悬索桥算例验证了颤振分析模型和方法的正确性和可靠性。该方法能使桥梁设计人员和研究人员可以直接利用ANSYS来分析大跨桥梁的耦合颤振。     

桥下净空对大跨度桥梁颤振稳定性的影响研究

为研究桥下净空对桥梁颤振稳定性的影响,基于CFD数值仿真技术,识别了在多种桥下净空工况下大带东桥的颤振导数和颤振临界风速。研究表明:每个工况下的气动导数曲线趋势与试验结果基本吻合,没有随着桥下净空的改变而出现大的波动,边界对耦合气动负阻尼和扭转自身正阻尼影响有限;在桥梁抗风设计和抗风试验值中,可不考虑桥下净空振稳定性的影响。     

缆索承重桥梁的颤振可靠性

基于公路桥梁抗风设计规范校准得到极值风速变异系数约为0.13;由苏通大桥桥址风速统计资料计算得到极值风速变异系数在0.13~0.14之间。提出了计算结构可靠指标的随机梯度算法,采用该算法从多种角度分析了变量分布类型及统计特征对苏通大桥颤振可靠指标计算结果的影响。计算结果表明:极值风速变异系数宜取为0.15;随机梯度算法思路简单,具有很好的稳定性,计算效率高。     

大跨桥梁颤振分析理论研究进展

随着悬索桥跨径朝向2 000 m级发展，由大攻角和大振幅引起的结构非线性和气动力非线性影响突出，颤振设计面临着前所未有的挑战。传统的桥梁颤振计算理论及方法已无法满足大跨度及超大跨度桥梁的抗风设计需求，亟需发展桥梁非线性颤振计算理论与方法。在扼要回顾线性颤振理论研究成果的基础上，对近年国内外关于桥梁非线性颤振的研究进展及主要成果进行了总结，介绍了非线性自激气动力的研究成果和几种典型的非线性自激气动力模型，并根据桥梁断面气动力随振幅变化的非线性特性，重点介绍了2种不同类型的非线性耦合颤振计算方法，其有效性和准确性均通过风洞试验进行了验证。需要指出的是，气动力的振幅依存性是大跨度桥梁颤振后状态研究的关键所在，尤其是计入耦合效应的高次谐波气动力的振幅依存性。基于目前的研究进展，确定了三维和多模态非线性颤振计算方法，任意运动及紊流下非线性气动力建模和非线性颤抖振理论，以及如何科学制定"软颤振"的评价标准是未来需要重点开展的几项工作。     

考虑运营环境不确定性的斜拉桥模态频率识别

为剔除运营环境因素（温度、车辆荷载、风等）对斜拉桥结构模态频率的影响,凸显因结构损伤引起的频率变化,对运营环境和模态频率之间的量化和传递进行研究。首先,考虑温度对材料弹性模量以及几何特性的影响,对温度影响模态频率的机理进行分析,以灌河大桥为工程背景,在较长时间尺度内对模态频率进行单因素回归分析;然后,根据匀速移动常量力作用模型推导移动荷载和结构振动强度的关系,考虑到车辆荷载及风荷载在较短时间尺度内对桥梁结构作用存在较强的耦合关系,采用非线性主成分分析方法（NLPCA）对运营环境因素进行主要特征提取和冗余信息的剔除,使用人工神经网络（ANN）模型实现两者之间的量化和传递;最后,提出基于运营环境变量分析的模态参数修正方法。结果表明：在较长时间尺度内,温度和车辆荷载与斜拉桥模态频率均有明显的负线性相关性,40℃季节温差对灌河大桥模态频率的影响为1.3%;非强风期间,主梁加速度RMS可近似反映桥上车辆荷载的变化;在短时间尺度内,温度与车辆荷载2种因素影响水平相当,一天内对灌河大桥影响一般不超过1%;基于NLPCA的ANN回归模型能较好地实现灌河大桥环境因素与模态频率的传递,剔除运营环境因素影响后的斜拉桥模态频率变异性明显降低,主要包含某些随机误差,符合正态分布。     

基于风险决策和保险定价的桥梁颤振风险评估

为了评估因桥梁颤振带来的经济风险,提出了一种全新的桥梁颤振风险评估方法。该方法基于一种已有的4变量桥梁颤振可靠度模型,先采用Monte Carlo方法计算桥梁颤振的失效概率,然后用货币的形式定量地刻画桥梁颤振的风险,并引入效用理论进行风险决策。最后,运用该方法对上海颗珠山斜拉桥进行了颤振风险分析。结果表明:该方法简单实用,所得的结果可以作为桥梁投资和保险定价的依据。     

桥梁颤振方程降阶法及临界风速公式简化

基于平板颤振理论,建立了桥梁断面在空气中的含有8个颤振导数的二维耦合颤振方程,通过合理假设,令方程两边的实部和虚部分别相等,并化简分析,提出了一种降阶求解方法.与典型方法及其他方法相比,降低了方程阶次,简化了计算方程式.此外,根据《公路桥梁抗风设计规范》的大跨桥梁竖弯基频公式和扭转基频公式,基于Van der Put公...     

扁平钢箱梁颤振气动措施试验研究

为了研究不同颤振气动措施对扁平钢箱梁的颤振稳定性的影响,通过一大跨悬索桥扁平钢箱梁节段模型风洞试验,分别研究了设置上中央稳定板、封隔不同位置护栏、改变检修道护栏透风率3种措施对主梁颤振临界风速的影响,并利用静三分力与颤振导数的关系对颤振控制特性进行了研究.结果表明:单独设置合适高度的上中央稳定板可以有效提高断面的颤振临...     

不同主梁断面形状的大跨度桥梁颤振机理研究

基于线性颤振分析理论，考虑结构的动力特性和作用在结构上的气动力随风速以及结构变形的非线性变化因素，提出了大跨度桥梁的三维非线性颤振分析方法。运用该方法对具有流线型和钝体主梁断面的大跨度桥梁进行了各项非线性颤振分析，揭示了不同主梁断面形状大跨度桥梁颤振形态的内在本质和区别以及颤振发生的机理。     

大跨度悬索桥中央开槽箱梁断面的颤振性能

以建成后将成为世界最大跨径的钢箱梁悬索桥——西堠门大桥为例，通过节段模型风洞试验、CFD数值模拟和理论计算对中央开槽箱梁断面的颤振稳定性能进行研究，分析了开槽宽度和箱梁内外侧局部气动外形的改变对中央开槽箱梁断面颤振稳定性能的影响。研究结果表明：开槽宽度对中央开槽箱梁断面的颤振稳定性能影响显著；箱梁内外侧局部气动外形的改变也会对结构颤振性能产生一定的影响，而且影响规律更为复杂。     

神经网络驱动的桥梁主动气动翼板颤振智能控制优化

通过风洞试验和数值模拟获得主动气动翼板优化控制参数需要庞大的试验和计算成本,并且难以得到最优的翼板控制参数。基于流线箱梁主动气动翼板颤振控制的风洞试验数据,以翼板与主梁扭转运动相位差为输入,颤振临界风速变化比例为输出建立BP人工神经网络模型,对神经网络进行训练得到了主动气动翼板颤振临界风速预测关系。结果表明：预测输出值和实际值之间误差为5%左右,相关系数为0.965;使用训练得到的人工神经网络模型以1°增量对0°～360°范围内的气动翼板相位差进行遍历计算,得到了两侧翼板相位差对主梁-翼板系统颤振性能的影响规律,当迎风侧翼板相位差位于180°～360°内时系统颤振性能得以提高,最优参数组合为迎风翼板相位差231°,背风侧翼板相位差63°;利用获得的最优气动翼板相位差参数组合,建立了主梁-翼板系统流固耦合模型,对试验和神经网络模型的最优参数的颤振控制效果进行验证,证明了神经网络对颤振控制预测的准确性。提出的通过数据量较少的试验数据训练构建人工神经网络模型,构建预测主梁-翼板系统颤振性能的理论框架,显著改善了颤振控制效果,实现了高精度主动气动翼板颤振的优化控制。     

大跨径悬带桥颤振特性研究

借助一种三维颤振分析方法,分析一座主跨618 m悬带桥的三维颤振性能,并与相同跨径的悬索桥进行对比,进一步探讨悬带桥的多模态参与效应、侧向自激力效应及节段模型试验的模态选取等问题;同时还对悬带桥进行多种组合下的两模态二维颤振分析及节段模型风洞试验.研究结果表明:与悬索桥的扭转模态颤振驱动机制不同,悬带桥的颤振由侧向-扭...     

大跨度悬索桥的颤振稳定性研究

颤振稳定性是大跨度悬索桥设计中倍受关注的重要问题。运用大跨度桥梁的三维非线性颤振分析方法,以润扬长江大桥为背景,对影响悬索桥颤振稳定性的一些设计参数如桥跨布置、矢跨比、边主跨比、加劲梁的高度、恒载集度及其支承体系等进行了分析,指出了影响大跨度悬索桥颤振稳定性的主要设计参数,并探讨了具有良好抗风性能的大跨度悬索桥合理结构体系。     

基于可靠度分析的桥梁耐久性评估

运用可靠度分析方法，以桥梁结构服役状态下材料性能的劣化为出发点，对结构的承载能力耐久性进行了分析。Monte Carlo模拟方法的运用，将桥梁的实际检查结果与结构分析紧密地结合起来。通过高次(五十万次)模拟，数据分布表现出了很好的规律性和重复性一在建立材料性能劣化模型的情况下，该种方法可以作为桥梁生命周期成本管理系统的基础，为桥梁养护、管理优化提供依据。