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。     

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。     

随机车流-风联合作用下沿海大跨度斜拉桥拉索疲劳寿命预测

为了预测沿海大跨度斜拉桥拉索在车流、风和波浪等变幅荷载长期作用下的疲劳寿命，提出了沿海大跨斜拉桥拉索在随机车流、风和波浪荷载联合作用下拉索应力谱的计算方法和步骤，并基于线性疲劳累积损伤理论建立了斜拉桥拉索疲劳可靠度的计算框架。首先，根据桥上实测车流数据，建立了随机车流模型，基于桥址处风浪观测数据，运用二维Copula函数建立了桥址处风浪联合概率模型。然后，将生成的随机车流及风浪荷载作为外部激励，基于风-浪-车-桥耦合振动数值模拟平台，实现随机车流、风、浪荷载联合作用下的斜拉索应力谱的计算分析。最后，基于线性疲劳累积损伤理论推导了服役期内斜拉索疲劳可靠度及疲劳寿命预测公式，并以一座沿海大跨斜拉桥为例，结合桥址处的实测车流、风和波浪数据，计算了拉索在随机车流、风和波浪荷载联合作用下关键拉索的疲劳寿命。结果表明：车辆荷载主要影响拉索的应力响应均值，风荷载主要影响拉索的应力响应的脉动部分，而波浪荷载对拉索的应力响应影响非常小，可以忽略。此外，在随机车辆、风和波浪荷载共同作用下，拉索的日累积疲劳损伤符合威布尔分布，并且岸侧拉索的中间索疲劳寿命最低，为121年。研究成果可为沿海大跨度斜拉桥拉索疲劳可靠度分析及疲劳寿命预测研究提供参考。     

CFRP拉索斜拉桥模态试验与分析

采用环境脉动法对CFRP拉索斜拉试验桥进行模态试验.联合采用峰值拾取法和互功率谱(PSD)法来识别模态参数,并将其与有限元模型计算结果进行对比分析;按等轴向刚度准则将CFRP索替换为钢索,比较不同索模型的动力特性.结果表明:实测结果与计算结果基本吻合,相对钢索,CFRP索斜拉桥自振频率有所提高.     

不同斜拉索模型对多塔斜拉桥力学性能的影响

斜拉索由于其轻、柔的特点,经常在外部环境的影响下产生较大的振动,从而对桥梁的力学性能产生影响。以赤石大桥为工程背景,采用不同的斜拉索单元建立了不同的四塔斜拉桥整桥有限元模型,对桥梁的变形、频率、模态等力学性能进行了系统地研究。采用弦振动理论计算出了斜拉索的自振频率与ANSYS算出的索单独振动的频率进行了对比。结果表明,斜拉索采用BEAM3或者LINK1单元时计算出的索单独振动的频率与弦振动理论算出的频率吻合得非常好,短索所得计算结果相对于长索误差稍大。     

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。     

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。     

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.     

基于强迫振动装置的拉索和水线气动力试验

为了研究斜拉索风雨激振中拉索和水线上的气动力,制作了直径为350 mm的拉索模型,采用强迫振动装置,对粘贴水线的二维拉索进行了5种工况下的测压风洞试验.系统研究了水线的存在、模型竖向和扭转振动对拉索和水线的平均风压系数、脉动风压系数、平均气动力系数、脉动升力系数功率谱等的影响,并对准定常理论在风雨激振理论分析中的适用性进行了验证.结果表明:准定常理论能反映拉索和水线气动力的主要特征;拉索竖向振动和水线周向摆动基本不影响拉索和水线的平均气动力系数,拉索平均升力系数在60°风攻角处发生突降;水线的周向摆动对脉动气动力的影响很大,远大于拉索竖向振动的影响;水线的存在不仅使水线附近的风压系数发生突变,而且还降低了旋涡脱落频率.     

四渡河峡谷大桥桥位风的湍流特性实测分析

结合位于鄂西山区的四渡河峡谷大桥的抗风设计研究,在桥位现场用超声风速仪实测脉动风速时程数据,分析山区深切峡谷风的湍流特性。基于10 min平均时距划分子样本,统计分析峡谷桥位的风速、风向、阵风因子、湍流度、积分尺度和功率谱密度函数。结果表明:该桥所在的山区深切峡谷地形导致风的湍流脉动强度明显增大,表征涡旋大小的湍流积分尺度减小;湍流度随平均风速的增大而减小,积分尺度随平均风速的增大而增大;由实测数据拟合的山区峡谷功率谱密度函数模型存在低频迟滞区,山区峡谷风的湍流特性与规范推荐模型有较大差别。     

大跨连续刚构桥最大悬臂施工阶段风致抖振响应

当大跨连续刚构桥由于基频降至自然界脉动风的卓越频率区时,其风致抖振响应不可忽视。以十堰市将军河汉江大桥为工程背景,首先基于改进的Iwatani线性回归滤波器法,模拟桥址处的脉动风场;之后,采用Davenport准定常抖振力模型,分析该桥最大悬臂施工阶段的风致抖振响应,并与该桥的静阵风响应值进行对比分析;最后,利用抖振分析结果对该桥施工人员的安全性和舒适性进行预评。     

矮寨大桥风速风向联合分布研究

为了分析矮寨大桥的风致疲劳寿命,研究风速风向在大桥桥址处的联合分布规律。基于吉首气象站的气象资料,对数据样本进行抽样、处理,从而得到风速风向在气象站处的联合分布。假设气象站处梯度风速、风向与桥址处相同,根据矮寨大桥监测的长期风场数据得到桥址处的风剖面指数,最后换算得到矮寨大桥桥址处风速风向的联合分布函数。     

自锚式斜拉-悬吊协作体系桥抖振响应影响因素分析

基于模拟的随机脉动风速场,以主跨800 m的大连港航道桥为背景,详细分析几何非线性、侧向气弹效应、缆索上的脉动风、气动导纳等因素对自锚式斜拉-悬吊协作体系桥抖振响应的影响,总结该新型体系桥抖振响应的特点.结果中需特别指出,与普通悬索桥不同的是,缆索上的脉动风引起了主缆的振动并与主梁产生耦合振动,且对主梁的扭转位移也产生了显著的影响.     

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。     

山区峡谷大跨度桥梁桥址风场试验

坝陵河特大桥位于地形特殊的山区,桥址风环境非常复杂,是我国西部山区桥址的典型代表,为了正反映桥址处风的实际状况,探索通过地形模拟风洞试验来确定桥梁设计基准风速和相关的风特性参数的方法和可靠性,为将来类似桥梁提供参考.试验研究结果表明:坝陵河特大桥在横桥向来流作用下,跨中桥面高度处风速受到“峡管效应”的增速作用;峡谷内平...     

基于Fourier逆变换法的桥面不平度模拟及测试分析

桥面不平度是影响车桥耦合振动的主要因素之一。研究了基于Fourier逆变换法在路面功率谱已知的情况下,构造路面不平度随机序列的算法,通过与三角级数叠加法对比,结果表明,Fourier逆变换法模拟的路面不平度功率谱与预期谱能更好的吻合。同时,根据实测的上饶乔木湾乐安河大桥桥面不平度数据,计算该桥面不平度功率谱密度并与国家标准GB/T7031-86进行对比,结果显示该桥桥面处于B级到C级之间,这为精确计算车桥耦合振动提供了有利的理论依据。     

考虑随机车载-风载联合作用的斜拉桥拉索疲劳可靠性分析

以某大跨斜拉桥为工程背景,对随机车载与风载联合作用下的斜拉索疲劳可靠性进行了分析。首先,依据交通调查数据,建立随机交通荷载模型,基于桥位处多年风速统计资料,建立大桥风载概率模型;然后,采用自编的风-车-桥动力响应分析程序,实现随机车载与风载联合作用下的拉索应力谱计算分析;最后,基于累积损伤理论和Monte-Carlo法开展拉索的疲劳可靠度和疲劳寿命分析。研究结果表明：风载对斜拉索疲劳可靠度影响显著,且该影响由短索到长索呈不断增大的趋势;考虑车载-风载联合作用的拉索疲劳寿命较仅考虑车载的情况下降2%～63%,平均达50%。     

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。     

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。