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。     

实测与规范风谱下某悬索桥抖振响应定性比较

对某大跨悬索桥址的风特性进行了现场长期风观测。在观测数据中提取合适的风速时程样本,得到各样本的风谱及其平均风谱曲线,在此基础上对该桥进行了频域抖振响应分析。同时,采用JTG/T D60-01-2004《公路桥梁抗风设计规范》建议的风谱,基于A、B、C、D 4类场地特性得到的谱值对该桥进行频域抖振分析,并与基于实测风谱的计算结果进行对比。结果表明:对于主梁抖振位移,基于实测谱的结果介于基于规范谱的C类与D类场地值之间;对于塔基抖振内力,基于实测谱的结果高于基于规范谱的所有4类场地结果。此外,抖振位移的功率谱表明:在低频区,基于实测风谱的响应低于基于规范谱的响应;而高频区则反之。该文研究表明:在计算结果是否偏于保守或危险方面,如果采用规范建议风谱来计算,内力与位移两方面可能会有相反的结论。     

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。     

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...     

考虑非线性时变相关特性的支座纵向位移精细模拟方法

为准确模拟支座纵向位移、实现支座纵向伸缩性能的精准评估,以铜陵长江大桥为背景进行研究。基于该桥主梁温度和支座纵向位移的健康监测数据,分析主梁温度对支座纵向位移的非线性时变影响规律,提出基于非线性时变系数回归模型的支座纵向位移精细模拟方法;利用该方法计算支座纵向位移,并与实测数据及多元线性回归模型的模拟值进行对比。结果表明:在1 d内支座纵向位移与主梁温度之间具有较明显的非线性时变相关特性,相关特性曲线呈现出扁圆形的时滞特征;非线性时变系数回归模型的模拟结果与实测结果的变化趋势更为接近,其模拟结果与实测结果之间的绝对误差为10.5%,多元线性回归模型的模拟结果与实测结果之间的绝对误差为30.79%,非线性时变系数回归模型比多元线性回归模型具有更高的拟合精度。     

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。     

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。     

基于风致静动力稳定性的超大跨径桥梁主梁比选研究

为寻求适用于超大跨度桥梁的具有更优气动特性的主梁断面,推动我国超大跨桥梁建设的发展,针对超大跨度桥梁原型设计中提出的5种主梁断面形式,采用CFD数值模拟方法计算得到了各断面的静力和动力气动参数,并进一步计算了对应5种主梁断面桥梁的静风失稳临界风速及颤振临界风速,对比了各断面的静动力稳定性能.结果表明,分离双箱主梁和分离3箱主梁的气动性能优于其他类型主梁断面;单箱主梁和双箱主梁气动特性目前已得到较大程度的优化,3箱主梁气动特性应具有较大的优化空间,椭圆形主梁及重力式主梁气动性能较差,优化价值有限.     

大跨桥梁主梁涡激振动影响因素研究进展

现代大跨桥梁跨度更大、结构更轻柔、自振频率较低且密集,在较低风速下主梁易发生涡激振动现象。涡激振动是一种带有自激、自限特性的非线性振动,影响涡激振动响应因素较多如雷诺数效应、紊流特性及主梁断面形式等。本文介绍了近期大跨度桥梁主梁涡激振动影响因素研究进展,为抗风设计及抑振措施提供参考。     

大跨度桥梁主梁涡激振动影响因素研究进展

现代大跨桥梁跨度更大、结构更轻柔、自振频率较低且密集,在较低风速下主梁易发生涡激振动现象。涡激振动是一种带有自激、自限特性的非线性振动,影响涡激振动响应的因素较多如雷诺数效应、紊流特性及主梁断面形式等。介绍了近期大跨度桥梁主梁涡激振动影响因素的研究进展,为抗风设计及抑振措施提供参考。     

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。     

混凝土斜拉桥施工控制中的温度效应研究

通过建立仙桃汉江公路大桥有限元模型,模拟均匀升温及局部温差荷载,研究温度场对混凝土斜拉桥应力、位移和索力的影响。通过在实桥典型断面埋设测温元件,实测主塔和主梁位移随温度变化的规律,并根据实测数据拟合出适合于本桥主梁温度梯度计算的公式,以修正有限元模型中的参数,有效减小温度效应对施工精度的影响。     

考虑参数影响的斜拉桥π形断面的静风效应研究

基于计算流体动力学(CFD)数值计算方法,通过商用软件FLUENT对一座π形主梁断面的拟建斜拉桥进行抗风性能分析,得到成桥状态下主梁断面周围流场的压力、速度分布以及不同风攻角下的静力三分力系数.在此基础上,研究了桥面横坡、护栏、高宽比等设计参数的变化对该桥主梁断面静风三分力系数的影响.研究结果表明,桥面横坡坡率的变化对...     

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。     

基于施工状态的斜拉桥温度梯度及温度效应研究

以某斜拉桥为实例,根据现场实测数据,考虑温度梯度影响,研究混凝土箱梁横向、竖向温度梯度及索塔横截面温度梯度,并计算索梁温度效应、主梁竖向温度梯度效应、索塔温度梯度效应对拉索索力、主梁竖向位移的影响。计算结果表明:索塔温度梯度、主梁温度梯度、索梁温差对主梁施工竖向位移、拉索索力张拉值影响较大,施工案例表明,在施工中考虑实测温差影响,进行温度修正,可有效提高施工精度。     

基于CFD的运动桥梁断面气动力非线性特性研究

为研究运动桥梁断面气动力的非线性特性,基于CFD模拟桥梁断面在不同振幅下的强迫振动,并对各工况下断面压力进行主分量分析。研究结果表明,振动幅值不同程度改变了桥梁断面压力第一主分量曲线,由主分量分析可知,大幅振动下的桥梁断面脉动压力与振幅间存在非线性关系;采用数值仿真识别颤振导数,强迫振动幅值不宜大于0.02倍模型宽,尝试从机理上进行了解释;大幅振动下的气动力与振动幅值间的关系存在明显非线性特性,而这种非线性对实际工程的影响有待结合试验进一步研究。     

大跨度矮塔斜拉桥结构参数敏感性分析

结合常山矮塔斜拉桥工程实例,利用有限元软件BSAS进行计算,对主梁混凝土密度、斜拉索索力等主要结构设计参数进行了敏感性分析.得到了各参数变化时,最大悬臂状态下主梁悬臂端竖向位移、索塔水平位移值、根部应力及斜拉索索力的相应变化值.     

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。     

深圳湾大桥实测风场参数与风致拉索振动响应分析

2007年两次台风经过深圳湾跨海大桥,对桥址处的风场参数与拉索振动测试数据进行了分析,实测结果表明:桥址处纵向脉动风功率谱与Simiu谱吻合较好,竖向脉动风功率谱与Panofsky谱基本吻合;台风期间边跨短索发生了较明显的风雨振动,而主跨长索由于安装了阻尼器,振动幅值得到有效控制,因此与本桥类似的独塔斜拉桥短索区也应考虑采取增设阻尼装置或辅助索等减振措施.     

气动措施抑制钝体箱梁竖向涡振的风洞试验研究

为研究钝体箱梁发生竖向涡振的内在特性及气动措施抑振的规律,采用风洞试验同步测量箱梁模型的振动位移和表面压力。基于模型各测点的压力时程,综合对比分析压力系数均值与均方差值、局部气动力对总体气动力的相关性与贡献程度。结果显示:钝体箱梁断面发生竖向涡振的根本原因是上游分离的气流使得中、下游脉动压力显著增大,中、下游升力对总体升力具有良好的相关性,且对涡激振动贡献最大;封闭栏杆方式可以抑制钝体箱梁断面的竖向涡振;栏杆阻风率变化会同时改变钝体箱梁上、下表面的压力脉动分布强度,但只能改变其上表面的压力系数均值;气动措施抑振的机理是其削弱了箱梁中、下游的脉动压力强度,破坏了局部升力对总体升力的相关性。