开口断面钢-混结合梁悬索桥颤振特性及颤振形态研究

为准确评估开口断面双边箱钢-混结合梁悬索桥颤振性能和多模态参与效应,以典型的钢-混结合梁悬索桥——怀化洞庭溪沅水特大桥为背景,开展风洞模型试验及数值分析。制作加劲梁节段缩尺模型并进行风洞试验,测试原桥梁结构的颤振性能,分析调整阻尼比、采用气动措施及结构措施对结构颤振特性的影响,采用三维和二维两种颤振分析方法分析设置中央扣结构的颤振模态及多模态参与效应。结果表明:该钢-混结合梁悬索桥存在较明显的颤振起振点,且颤振是以扭转为主的弯扭耦合振动,同时其扭转和竖向振动存在较大的相位差(相差近180°);节段模型风洞试验与三维和二维颤振分析一致得到设置中央扣后,频率较高的正对称扭转模态先于反对称模态发生颤振,且三维与二维颤振分析结果相差不大。

列车作用下大跨径悬索桥纵向运动响应分析方法对比研究

随着我国铁路事业的发展,近年来设计和建造了一些大跨径铁路悬索桥。悬索桥属于典型的柔性结构,加之列车荷载大、运行速度快,列车过桥时加劲梁纵向运动问题突出。准确地计算出列车过桥时梁端纵向运动响应是进行悬索桥结构设计和梁端位移控制的前提。该文通过有限元仿真,采用4种不同的分析方法,对运行列车作用下大跨径铁路悬索桥纵向运动响应特征进行对比研究。首先,分别介绍移动静载法、移动荷载法、移动质量法、车-桥动力相互作用法的计算理论及其有限元实现方法;随后,以某主跨1060m铁路悬索桥为例,分别采用4种方法进行纵向运动响应计算;最后,对4种分析方法的计算结果进行对比分析。结果表明:大跨径铁路悬索桥纵向运动分析应考虑动力效应;通过移动荷载法、移动质量法及车-桥动力相互作用法分析得到的纵向运动响应接近;采用移动荷载法进行大跨径铁路悬索桥纵向运动响应分析可以简化计算且满足计算精度要求。

基于贝叶斯优化支持向量回归的流线型箱梁颤振气动外形优化方法

为解决风洞试验耗时费力和计算流体动力学(CFD)计算量大的问题,提出了一套新型流线型箱梁断面颤振性能气动外形优化方法.以风嘴参数为设计变量,利用CFD获取断面三分力系数,以准定常理论估算的颤振临界风速为优化目标.根据贝叶斯优化支持向量回归构建代理模型,利用混合加点法更新模型,通过寻优算法确定最优断面.以虎门大桥为例,得到桥梁在可行域内颤振性能最佳的断面方案.结果表明,风嘴升高,颤振临界风速先增后减,相对高度为0.6时整体性能较优,相对高度为0.7时可获得最优断面.底板宽增加,颤振性能显著降低,下斜腹板倾角为14°~16°时颤振性能最优.断面优化后桥梁颤振临界风速相比原始断面提升约31%.

曲线钢桁桥人致振动舒适性评价现场试验研究

大跨曲线钢桁梁人行桥竖向、横向和扭转振型耦合强,人致振动舒适度评价和减振控制难度大。以湖南省长沙市浏阳河一主跨为120 m的曲线双层桥面三跨连续钢桁梁桥—汉桥为工程背景,通过理论分析和人群激励现场动力试验,识别桥梁固有模态参数,评价人致振动舒适性,优化设计调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)并评价TMD的减振效果。研究表明:因桥梁第一阶竖弯模态和第一阶扭转模态的阻尼比仅为0.23%和0.3%,人致振动加速度不满足舒适性要求;采用竖向TMD进行竖弯模态和扭转模态的减振控制,减振后的桥梁满足舒适性要求。

基于同频弯扭耦合强迫振动的桥梁断面颤振导数识别方法改进

为拓展强迫振动法在桥梁断面颤振导数识别领域中的应用能力,采取让断面做2次同频异相的弯扭耦合简谐运动模式,理论推导出任意非零相位差条件下的桥梁断面颤振导数识别公式。以理想平板的Theodorsen解为气动力数据源,对该方法的识别能力进行数值验证,并在此基础上研究弯扭耦合运动相位差、高斯白噪声、整数倍频有色噪声对平板颤振导数识别结果的影响规律。基于Fluent软件,将该方法与计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术结合,识别得到丹麦大带东桥主梁断面的颤振导数。研究结果表明:当平板气动力不包含噪声时,在任意非零相位差取值条件下,按照该方法识别所得颤振导数结果与理论值完全吻合;当平板气动力含有高斯白噪声时,在考察的3个低水平噪声条件下(5%、10%、15%),颤振导数识别误差与高斯白噪声比例水平、折算风速均成正相关,但不同颤振导数对高斯白噪声敏感程度各异;当平板气动力包含整数倍频有色噪声时,3倍频、4倍频噪声对颤振导数的识别精度影响显著,其他低倍频噪声和超高倍频噪声的影响较小,在8个颤振导数的识别结果中,H_(2)^(*)、H_(4)^(*)、A_(2)^(*)、A_(4)^(*)对倍频有色噪声更敏感。应用该方法结合CFD数值模拟识别得到的大带东桥主梁颤振导数与既有文献结果吻合良好,经计算得到的颤振临界风速也较为接近。研究结果可满足同类桥梁颤振设计的工程计算需求。

槽形钢箱梁涡振性能及抑振措施试验研究

为提高槽形钢箱梁桥的抗风性能,对槽形钢箱梁的涡振性能及抑振措施进行试验研究。以某人行景观桥槽形钢箱梁为背景,通过主梁节段模型风洞试验,研究+3°、0°、-3°风攻角下均匀流与紊流风场中槽形钢箱梁的涡振性能,分析交替封闭栏杆、将栏杆楔形扶手改为圆形扶手、提高阻尼比等措施的抑振效果。结果表明:原槽形钢箱梁断面涡振性能不满足规范要求,均匀流风场中,3个风攻角下均出现了超限的竖弯涡振,+3°和-3°风攻角下出现了不同程度的扭转涡振,最不利风攻角为-3°;紊流风场中,最不利风攻角下原断面竖弯涡振振幅降低了23%,未见明显扭转涡振;楔形扶手栏杆交替封闭使结构竖弯涡振振幅增大,主梁涡振性能降低;单独改变栏杆扶手形状为圆形对主梁涡振性能影响不大,在此基础上交替封闭栏杆能够有效抑制主梁涡振;提高结构阻尼比能有效抑制主梁涡振,阻尼比为7‰时,主梁竖弯涡振振幅可降至规范限值的一半左右。

一种曲柄连杆式惯容器的力学性能与隔震性能研究

基于惯容器(inerter)的耗能装置近年来受到结构减隔振(震)领域学者的极大关注。该文研究了一种新型惯容器——曲柄连杆式惯容器(CTI)。CTI由曲柄、连杆、齿轮箱和飞轮组成,具有表观质量可调和位移兼容性强等优点。提出了CTI装置与隔震支座在桥梁抗震中的联合布置形式。推导得到了CTI的表观质量解析表达式,及其线性近似条件。对CTI样机开展了不同表观质量及不同工作姿态下的力学性能试验。以一座典型的三跨变截面连续梁桥为例,采用数值方法研究了CTI在桥梁抗震中的参数设计方法并验证了其可靠性。研究结果表明:CTI可简化为线性惯容器的条件为最大变形应小于曲柄长度的0.312倍,连杆长度应大于曲柄长度的1.803倍。力学性能试验得到的表观质量与理论结果基本一致,通过改变曲柄长度可实现表观质量的精确调节,在线性工作范围内连杆工作姿态对表观质量影响不大。将CTI与隔震支座组合使用可在保证不发生落梁的情况下适度放大主墩顶处隔震支座的变形,提高其耗能效果,从而降低桥梁下部结构的地震响应。

弯扭耦合长柔叶片颤振速度分析

针对弯扭耦合叶片的颤振速度进行研究,提出基于FAST_v8结合非线性几何精确梁理论评估叶片颤振速度的分析方法,基于典型截面失稳机理验证该分析方法的准确性。以某80.74 m叶片为研究对象,分析空气密度、叶片重心弦向位置、扭转频率、挥舞频率等参数变化对颤振速度的影响。结果表明,该80.47 m叶片颤振速度随空气密度增大而减小;质心前移可有效抑制经典颤振;提高扭转频率可提升叶片的稳定性;挥舞频率位于0.2~0.4 Hz之间时较合适。

基于塔内位移观测器和均衡空间低维控制器的高塔结构振动主动控制系统

高塔结构振动适合也需要主动控制技术,但需要满足位移直接观测和单点控制下的低维高效控制。本文应用现代摄像观测技术,建立了一套从塔内实时连续观测振动位移的方法,为高塔结构振动主动控制提供了最直接的位移观测器,避免了以往只能建立加速度观测器,经滤波后再与假定的外荷载结合计算输出位移的冗长过程。基于均衡系统空间变换和平衡截断法,对顶端设置主动质量块的高塔结构进行降维,可以有效保留结构的主要动力特性。以某施工状态的700 m高塔为例,进行了风振和地震的主动控制仿真分析。结果表明:以少数位移状态作为反馈信号的降维控制器的控制效果和基于全状态反馈的全维控制器基本一致,可以作为高塔结构振动的主动控制策略。

列车制动作用下悬索桥纵向运动及其黏滞阻尼器控制研究

列车的制动行为会对悬索桥的纵向运动产生影响,因此有必要对千米级大跨度铁路悬索桥在列车制动下的纵向运动进行研究。以一座主跨1060 m的大跨度铁路悬索桥为研究对象,采用数值模拟的方式探讨了列车制动作用下其梁端纵向运动的响应特性,并研究了黏滞阻尼器在控制纵向运动中的效果。首先介绍了该千米级大跨径铁路悬索桥的工程背景,以及基于ANSYS软件建立的有限元模型;然后介绍了大跨径铁路悬索桥纵向运动的加载求解方式,支座摩阻和黏滞阻尼器的有限元模拟方式,以及制动力的模拟方式;接着探究了不同制动位置、是否考虑支座摩阻力对悬索桥梁端纵向运动响应的影响;最后,研究了黏滞阻尼器的纵向运动控制效果,并进行了参数分析。研究结果表明:随着制动位置越接近下桥位置,纵向位移变化曲线形状越接近正弦函数形式;支座摩阻对列车制动作用下的梁端位移响应有一定的控制作用,对梁端速度响应控制效果不佳;采用黏滞阻尼器可以有效控制列车制动下的悬索桥梁端位移和速度响应;当采用阻尼系数为2500 kN(m/s)^(-α),阻尼指数为0.1的黏滞阻尼器时,控制效果最佳。

调谐负刚度-惯容质量阻尼器参数优化与地震响应控制

提出一种调谐负刚度-惯容质量阻尼器(TNIMD),用于地震作用下的结构减震控制。通过拉格朗日方程得到结构TNIMD耦合系统运动方程,采用定点理论进行TNIMD参数优化设计,讨论最优负刚度系数的取值,开展参数分析和减震效果验证。参数分析研究表明:TNIMD对主结构位移响应的控制优于无负刚度元件下的调谐惯容质量阻尼器(VTMDI),且质量比及惯容比越小,TNIMD相对优势越大。减震分析结果表明:在远场、近场脉冲及近场无脉冲地震作用下,TNIMD对主结构位移及绝对加速度响应的控制效果均优于VTMDI,验证了TNIMD减震的优越性,为TNIMD研究提供参考。

大跨度钢箱梁铁路悬索桥车桥系统气动特性风洞试验研究

为研究大跨度钢箱梁铁路悬索桥车桥系统气动特性,利用水平和竖向两套三分力测试装置,对一座大跨度钢箱梁铁路悬索桥进行节段模型测力风洞试验。研究不同风攻角下桥面无车、不同位置有单列车、双车共存时车辆和桥梁的气动特性及其相互影响,得到不同车桥组合下车辆与桥梁的气动力。试验结果表明,车桥间的气动干扰较为明显,列车会增大主梁的阻力系数,改变桥梁升力系数的变化趋势,且单列列车位于背风侧时主梁的气动性能最差,最大阻力系数增加了191%。同时,两辆列车之间存在一定的气流干扰,背风侧列车受迎风侧列车影响较大,其横向力系数显著下降,但竖向力系数和扭矩系数所受影响不大。

基于气动措施和滑轮式TMD的人行景观桥涡振混合控制研究

为了解决传统式调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD)在控制低频桥梁结构中弹簧静伸长过长的问题,介绍了滑轮式TMD及其用于结构振动控制时的特点,指出滑轮式TMD可以有效减小弹簧静伸长量。以一座人行景观桥为例,研究了采用气动措施和滑轮式TMD对该桥的涡振控制效果。风洞试验结果显示,在最优气动措施下,主梁的涡振振幅减少了一半以上,但仍未达到行人舒适性要求。基于Scanlan线性涡激力模型进行滑轮式TMD的优化设计,在气动措施的基础上进一步辅以滑轮式TMD进行涡振控制。分析结果表明,气动措施结合滑轮式TMD进行涡振控制能够满足行人舒适性要求,并确保滑轮式TMD质量块的工作行程不超过限值。通过同时采用气动措施和滑轮式TMD,可以满足主梁涡振限值、TMD弹簧静伸长量和工作行程等多重要求,从而有效控制主梁的涡振现象。本文提出的混合控制方案为类似工程中的涡振控制提供了有益参考,可为工程实践提供指导。

基于稳态激励共振试验的人行桥全模态参数识别

识别包括模态质量在内的结构真实全模态参数是人行桥人致振动舒适度评价和减振设计的关键工作。提出一种基于稳态激励共振动力试验的人行桥全模态参数识别方法,该方法首先利用稳态激励共振动力试验,得到稳态激振下较大振幅的稳态振动;然后停止激励,从结构自由振动响应中识别结构频率、阻尼比和振型;最后利用稳态振幅以及识别的频率、阻尼比和振型,识别结构的模态质量。该方法仅需要一次激振试验就可以实现包括模态质量在内的人行桥全模态参数识别。通过仿真分析,研究了该方法的可行性以及激振频率偏离对模态参数识别的影响。采用该方法识别了一座大跨人行曲线斜拉桥1阶侧弯模态的全模态参数。研究结果表明,该方法能较可靠识别结构特定模态的频率、阻尼比和模态质量。

悬索桥多阶竖向涡激振动塔梁阻尼减振系统研究

为控制大跨度简支体系悬索桥的多阶竖向涡激振动,提出一种塔梁阻尼减振系统(在桥塔外伸牛腿与加劲梁之间布置耗能阻尼器),以武汉鹦鹉洲长江大桥为背景进行参数分析和减振效果研究。采用ANSYS软件建立大桥整体有限元模型,采用复模态方法分析阻尼器安装位置与阻尼系数对桥梁阻尼比的影响,给出3种优化准则,以选取最优阻尼系数和阻尼器安装位置,并将该系统应用在实桥中。结果表明:塔梁阻尼减振系统能同时提高桥梁多个竖弯模态的阻尼比,在相同阻尼系数下,模态阶数越高,最大附加阻尼比越大;随阻尼系数的增大,各阶竖弯模态的附加阻尼比先增加后减小,各阶竖弯模态均存在最大附加阻尼比和最优阻尼系数;随阻尼器安装位置与桥塔中心线距离的增大,各阶竖弯模态的附加阻尼比逐渐增大,最优阻尼系数逐渐减小,有利于降低阻尼器成本;实际安装阻尼器后大桥实测阻尼比较安装前有明显的提升。说明塔梁阻尼减振系统能够有效地控制大跨度简支体系悬索桥的多阶竖向涡激振动。

大跨桥梁分离式三箱梁附加攻角效应研究

为研究附加攻角效应对分离式三箱梁颤振性能的影响,结合节段模型风洞试验和理论计算方法获得初始风攻角下的附加攻角,并通过计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟方法求解初始风攻角下的颤振临界风速.结果表明,分离式三箱梁的初始风攻角及箱梁之间的横梁对附加攻角有较大影响,节段模型在0°~+7°风攻角下存在十分显著的附加攻角效应,且表现为扭转振幅快速增大的硬颤振.节段模型自由振动风洞试验难以直接获得分离式三箱梁在小风攻角下的准确颤振临界风速.对于主跨3300 m的悬索桥,0°初始风攻角下在颤振失稳前的静风附加攻角达到+7°以上,颤振临界风速大大降低,气弹稳定性得不到充分发挥.因此,对于采用分离式三箱梁断面的超大跨径桥梁,在抗风设计中应对其附加攻角效应予以重视.

大跨度钢箱桁组合连续梁桥涡振性能研究

主梁的大幅涡振一直是困扰跨海连续梁桥的主要病害之一,但对箱桁组合断面主梁的涡振研究较少。拟建的澳氹第四跨海大桥为一座变截面非对称钢箱桁组合连续梁桥,主梁宽度近50 m,且桥面附属结构呈非对称分布,气动外形极为复杂。该文采用1∶70缩尺比的跨中主梁断面节段模型风洞试验研究了澳氹四桥的涡振性能,对比分析了风攻角、紊流度、桥梁阻尼比、附属结构气动外形等因素对主梁断面涡振性能的影响。并通过将外侧栏杆、电缆箱、供水管、风障及防撞栏杆等桥面附属结构拆解,探讨了主梁涡振的原因。进一步比较了中跨跨中(L/2)及三分之一跨(L/3)两种不同断面的涡振性能差异。研究表明:宽幅钢箱桁组合梁断面容易在负攻角下发生大幅涡振,且不同位置两种断面涡振性能差异显著,高耸桁架的遮挡效应对该类桥梁涡脱特性影响较大;非对称横断面形式对涡振性能影响较大,减小外侧栏杆透风率以及采用布置位置合理的下扰流板可有效减小涡振幅值。基于风洞试验数据识别了涡振尾流振子模型的气动参数,准确重现了涡振幅值-风速关系曲线。

多重单面碰撞调谐质量阻尼器参数优化与试验研究

基于多重调谐原理,提出一种将碰撞质量和碰撞耗能装置分散布置的多重单面碰撞调谐质量阻尼器(MSS-PTMD).该阻尼器具有多重调谐的功能,以至能覆盖更宽的控制频域并具有更好的减振性能.同时,该阻尼器能将调谐质量分块化、小型化,提升碰撞类调谐质量阻尼器在实际工程中的可行性.为深入研究MSS-PTMD的性能特点,建立了单自由度结构与MSS-PTMD耦合运动方程,基于H∞优化准则得到了MSS-PTMD的优化参数;采用数值模拟对比了SS-PTMD和双重单面碰撞调谐质量阻尼器(DSS-PTMD)的减振性能;最后,通过试验验证了DSS-PTMD的减振效果.研究表明,增加调谐质量数量能有效提升MSS-PTMD的减振带宽和减振性能;在完全调谐和失谐±5%的情况下,MSS-PTMD都比SS-PTMD具有更好的减振效果.

基于TMDI的大跨度桥梁颤振控制理论研究

为解决传统调谐质量阻尼器(Tuned Mass Dampers,TMD)在低频大跨度桥梁中静位移过大的问题,提出采用调谐质量惯容阻尼器(Tuned Mass Damper Inerter,TMDI)提高大跨度桥梁的颤振临界风速.提出了一种适用于桥梁颤振控制的TMDI布置形式,并基于二维耦合颤振理论,建立桥梁-TMDI系统运动微分方程,进而导出系数多项式特征方程.根据劳斯-赫尔维茨稳定性判据,计算颤振临界风速.以具有理想平板断面的简支梁为例,分析TMDI在桥梁颤振控制方面的有效性,并探讨了TMDI各参数设置对颤振控制的影响.研究结果表明,TMDI可以有效提高桥梁颤振临界风速.与传统TMD相比,虽然引入惯容可能会稍微削弱其控制效果,但却可以大幅降低质量块静位移,从而在实际工程中具有更高的实用价值.

竖向荷载作用下悬索桥纵向变位特征与机理

为揭示竖向荷载作用下悬索桥纵向变位特征与机理,以主缆变形理论为基础研究了其竖向荷载下的变位特征,并得出了其竖向及纵向位移解析解;在此基础上,分析了竖向荷载作用下传统悬索桥和设有中央扣悬索桥的纵向变位特征及加劲梁纵向位移,揭示了中央扣纵向约束机制,并分别推导了加劲梁在竖向荷载下的纵向位移计算公式;最后,通过算例分析验证所提位移计算公式计算精度.结果表明:由于主缆的几何非线性特征,竖向位移与纵向位移相互耦合,在非对称竖向荷载作用下,主缆发生非同步纵向位移,而加劲梁主要以类似“摆锤体”发生刚体的纵向位移;跨中处主缆、加劲梁及中央扣因中央扣的存在形成一个“刚域”区,从而导致加劲梁纵向位移减小;所提计算方法与有限元数值解法在不同竖向荷载工况下吻合良好.