高海拔深切峡谷典型季节风参数日变化特征

为确定高海拔深切峡谷典型季节风特性参数的日变化特征,依托青藏高原某横跨雅鲁藏布江的大跨度桥梁为工程背景,开展桥位风特性现场实测,选取冬季、夏季没有较强天气系统作用的典型时段,统计分析风速、风向、风攻角、风速剖面等平均风参数,采用db8小波提取时变平均风速,通过非平稳风速模型分析紊流强度、积分尺度、紊流功率谱等脉动风参数。研究结果表明:峡谷风场风速、风向均呈现以天为周期的规律波动,风速在凌晨和上午相对较小,不同季节风速起落时间不一致,夏季、冬季风速分别在10:00、12:00开始逐渐增加,在20:00、21:00后开始快速减小,夏季风向基本稳定,冬季风向在15:00存在突变,风攻角与风速、风向显著相关,在冬季先减后增、15:00取最大负值,夏季相反;冬季风速剖面显著变化、夏季趋于平稳,指数律模型不能准确描述峡谷风速的垂直分布规律;夏季紊流强度趋于平稳,冬季先减后增、12:00取最小值,实测横风向、竖向紊流强度与顺风向比值高于规范推荐值;冬季、夏季紊流积分尺度变化趋势相同且与风速变化趋势一致,实测积分尺度远小于规范推荐值;归一化功率谱峰值频率随时间变化先减后增,功率谱可采用统一形式进行描述,并考虑其在频域内分布随季节、时间改变产生的偏移效果。

钢桁梁断面形式对公铁两用桥上列车气动特性影响

钢桁梁断面形式的不同可能会改变桥上列车的气动力,进而影响桥上列车运行安全性和舒适性。为此,以某千米级公铁两用悬索桥为工程为背景,通过风洞试验对三种常用钢桁梁断面形式的桥上列车进行测力、测压试验。研究结果表明,当单列车位于三种钢桁梁断面形式上的上游时,列车的阻力、升力系数无明显差异,而单列车位于下游时,列车的阻力、升力系数有较大的区别;在双车状态下,由于迎风侧列车的遮挡作用,改变了不同钢桁梁断面形式下列车的流场,使得钢桁梁断面形式对背风侧列车影响较小。无论列车位于上游、下游,其三种钢桁梁断面形式下列车的阻力系数、升力系数随风攻角的变化趋势一致。当列车位于上游时,其三种钢桁梁断面形式上列车顶部和底部圆弧过渡段都出现不同程度的流动分离,使得其列车平均风压系数不同;当列车位于下游时,三种钢桁梁断面形式上列车平均风压系数变化趋势一致,说明钢桁梁断面形式对下游列车的平均风压影响较小。列车位于上、下游时,其脉动风压系数会有显著的差异,其脉动风压系数的大小受腹杆布置形式的影响要比梁高的不同更为显著。本文研究结果可为大跨钢桁梁桥的断面形式选取提供参考和依据。

高速列车作用于人行道盖板的脉动风压特性

运行的高速列车对线路两侧人行道盖板施加风荷载,盖板可能被瞬时气动吸力掀翻,也可能在列车风的反复冲击下出现疲劳破坏。以32 m简支箱梁桥为工程背景,对CRH380A型高速列车作用于人行道盖板的脉动风压特性进行数值模拟,分析开孔形式、列车运行速度对盖板表面风压和流场分布的影响,阐述盖板开孔“泄压”的作用机理,并基于抗揭安全裕度对盖板进行掀翻风险评估。研究结果表明:盖板上表面离列车近处压强大,风压极值不随开孔数改变;盖板下表面风压分布均匀,风压极值随开孔数增加而增大。开孔能将列车风引入排水渠,让盖板下表面受到与上表面方向相反、数值较小的均匀风荷载,产生一种压强抵消效应,且开双孔效果更好。与其他线路附属结构类似,盖板表面车致脉动风压数值近似与列车速度的平方成正比。盖板抗揭安全裕度随开孔数的增加而增大,随车速的增加而减小,当车速高于350 km/h时,开双孔盖板仍具有充足的安全裕度。

高速列车过站时高架站房楼盖表面风压分析

研究目的:大跨度高架站房结构向着更轻、更柔的趋势发展,高速列车气动力所引起的站房结构表面风压变化是站房抗风设计中不可忽视的重要因素。为了探究高速列车通过大跨度高架站房结构时楼盖表面的风压特性,采用CFD数值模拟,基于Fluent动网格技术,对时速350 km的高速列车以单、双线运行形式通过大跨度高架站房时楼盖表面的风压特性展开数值模拟仿真研究,分析楼盖表面风压的时程特性及其空间分布特性。研究结论:(1)与高速列车单线运行相比,双线列车跨中交会运行时所产生的列车风叠加效应对楼盖底面风压幅值有显著影响;(2)相较于列车单线运行的工况,列车交会运行时跨中区域各测点的头波正、负风压极值均有较大程度增加,其中测点正、负风压极值的最小增幅都有62.30%和64.36%;(3)本研究结果可为进一步优化大跨度车站结构的抗风设计提供参考。

间距对公铁双幅主梁气动特性影响的试验研究

为研究间距对非对称公铁双幅主梁气动特性的影响,以某大跨度公铁双幅斜拉桥主梁断面为背景进行节段模型风洞试验,在间距L/Br=0.2~2.0范围内,测试了2种不同来流方向下双幅主梁的气动特性,分析非对称双幅主梁气动力系数、表面风压分布并推断主梁周围绕流特征,明确间距对非对称公铁双幅主梁气动干扰规律的影响规律。结果表明:无论风向角α=0°或α=180°,上游主梁气动力系数、表面风压分布和绕流方式受间距影响程度相对较小,与单幅主梁气动特性和绕流方式相似;但下游主梁气动特性受间距影响较大,且完全不同于单幅主梁,间隙处的绕流形式随间距的增大而发生变化,下游主梁气动力系数、平均风压系数曲线和脉动风压曲线也表现出完全不同的规律;且间距越大,下游主梁气动特性和绕流方式越接近于单幅主梁。公路主梁的流线性相比于铁路主梁更强,这种气动外形差异导致2种来流方向下非对称双幅主梁气动特性和绕流形式不同,间距在L/Br=0.2~2.0范围内,气动干扰对其影响规律也完全不同。如α=0°时,双主梁上表面始终为“单一钝体流态”;但α=180°时,双主梁上表面属于“剪切层附着流态”,间距不同,上游公路主梁尾流附着于下游铁路主梁的位置不同,据此可再细分为2种不同的绕流方式。研究成果可为同类型非对称双幅桥梁间隙距离设计提供参考。

高海拔深切峡谷桥址风场特性实测研究

结合某深切峡谷大跨度桥梁桥址区测风塔长期的风观测数据,统计分析桥址区风场的平均风特性,以风速超过8 m/s为强风标准,分析强风样本的脉动风特性。研究结果表明:深切峡谷地形对风场特征存在显著影响,风特性参数呈各向异性分布,最大风速与极大风速对应风向集中分布在峡谷轴线附近,各观测高度主风向均为SSE方向,强风攻角以负为主,风速、风攻角与风向具有显著相关性;风速垂直分布规律不再准确符合指数律模型,风剖面指数随风速增大而减小,与风向具有显著相关性,拟合风剖面指数的均值为0.09;顺风向、横风向与竖向紊流强度分别为0.17、0.12、0.27,竖向紊流强度偏高,采用线性与非线性模型均能较好地拟合紊流强度与阵风因子的关系;紊流积分尺度高于规范推荐值,随风速的增大而增大;实测功率谱与理论谱吻合程度欠佳,竖向功率谱偏高,脉动风速功率谱在惯性子区不满足各向同性假设。

基于模态综合法和模态叠加法的密集模态结构响应重构

提出一种基于模态综合法和模态叠加法的密集模态结构响应重构方法,通过两次坐标变换将全结构缩聚为自由度更少的超单元模型,将超单元模型的模态分为密集模态和剩余模态。通过经验模态分解法分离出已知响应中单阶的剩余模态响应,进而重构出待测位置的剩余模态响应,待测位置的密集模态响应可由模态振型和剩余模态计算得到,通过模态叠加法实现在密集模态下的时域响应重构。进行了数值模拟研究,将待测位置响应的理论值与重构值进行比较以验证该方法的精度和效率,此外还详细研究了主模态数量、子结构划分方式、测量噪声和阻尼对重构结果的影响。结果表明:该文方法通过模型缩聚大大减少了重构的数据量,并且改善了传统EMD方法不能分离频率间隔较小的模态而无法实现响应重构这一不足,无论密集模态存在与否都可适用于结构的应力、应变、位移、加速度等多种动力响应的重构。

公路主梁风嘴对大跨双幅公铁平层桥梁涡振的影响

以某新建大跨双幅公铁平层斜拉桥为研究背景,通过节段模型风洞试验,测试不同公路主梁风嘴条件下公路主梁和铁路主梁的涡振特性。研究结果表明:改变公路主梁风嘴角度能降低公路和铁路主梁的竖弯和扭转涡振振幅,但降低铁路主梁涡振的效果有限,降低公路涡振的效果较明显,较小的风嘴角度能减小桥梁的涡振振幅甚至抑制涡振出现;背风向主梁处于迎风向主梁的漩涡脱落区域时会形成干扰,导致背风向主梁涡振的卓越频率变得复杂,在较大的公路主梁风嘴角度下,背风向主梁振动的卓越频率包含自身频率和迎风向主梁频率;而在较小的公路主梁风嘴角度下,背风向主梁振动的卓越频率与迎风向主梁振动频率相同;无论是公路还是铁路,在迎风和背风时,涡振振幅存在很大区别,因此,在设计中,利用气动措施抑制双幅桥梁涡振时应该同时考虑对公路和铁路主梁的影响。

横风作用下高铁全封闭矩形声屏障气动性能

我国沿海地区已规划(有部分已建成)多条重要的且穿越居民聚集区的高铁线路,多种型式的全封闭矩形式声屏障将在该区域的高铁沿线上广泛运用。近年来,在西太平洋生成的较大台风频繁在该地区登陆,该地区高铁桥上声屏障结构频繁遭遇强横风侵袭。为给高铁桥上全封闭矩形式声屏障结构的抗风设计提供理论依据,参照缩尺比为1∶16.8的列车-声屏障动模型试验装置,建立相同比例的横风-列车-桥梁-声屏障三维精细化CFD数值仿真模型;采用大涡模拟(LES)方法分析横风作用下2种全封闭矩形式声屏障的气动压力以及流场结构;基于本征正交分解(POD)理论,采用Matlab软件分别对横风作用下2种全封闭矩形式声屏障的绕流流场进行分解,探讨各阶模态对其湍动能的贡献。研究结果表明:1)全封闭矩形式声屏障绕流流场的湍流强度在纵向分布上呈两端小、中间大的规律,内部流场湍流强度高于相应的声屏障外侧,该差异在声屏障中间区段表现最为显著。2)在声屏障进、出口顶部开孔将导致全封闭矩形式声屏障内侧的负压值降低82%,湍流强度升高114%。3)相对于全封闭矩形式声屏障,进、出口开孔式声屏障出现端部绕流现象的纵向区域更长,且相应的湍流模态组成极为复杂,全封闭矩形式声屏障在进、出口顶部开孔将导致横风风致振动加剧。

双层桁架桥上列车气动特性风洞试验研究

为研究双层桁架桥上列车位于主梁断面上、下层的气动特性,通过节段模型风洞试验对双层桁架主梁断面上列车进行测力、测压。以某大跨度公铁两用悬索桥和CRH2列车为背景,研究双层桁架主梁断面上列车在迎、背风侧时,列车位于上、下层时的三分力系数、平均风压系数以及脉动风压系数,并且分析风攻角对上、下层列车气动特性的影响。研究结果表明:1)上层列车的阻力系数要显著小于下层列车,当列车位于迎风侧时,下层列车的阻力系数可达到上层列车阻力系数的1.6倍,上、下层列车的力矩系数大小基本相同,但是上层列车的升力系数大于下层列车;上、下层列车的阻力系数随风攻角的增加逐渐减小并且两者的差值也逐渐减小。2)上层列车的迎风面、背风面的压差明显小于下层列车的情况,使得上层列车的总体阻力小于下层列车,并且上层列车的顶面、底面的压差要大于下层列车的情况,使得上层列车的总体升力大于下层列车;上层列车迎风面的平均风压随风攻角的增加而减小,下层列车则无明显变化。3)上层列车圆弧过渡段顶部和底部脉动风压系数小于下层列车,并且随着风攻角的增加,下层列车脉动风压系数减小,而上层列车无明显变化,风攻角对上层列车风压系数的脉动性影响较小。研究结果可为双层桁架桥上列车线路布置提供参考和依据。

电能计量资产全周期管理模式研究

本文从计量资产全生命周期管理的深层含义出发,将资产全寿命周期进行延伸,从资产管理和运行管理两方面对全生命周期管理模式进行创新研究,并提出典型应用场景。这些研究对进一步推动电力计量资产全生命周期管理具有深远的指导价值。

基于动模型的列车风作用下全封闭声屏障风荷载研究

列车风作用下的风荷载是影响全封闭声屏障结构安全的主要荷载之一。由于列车风为较复杂的三维非定常绕流,为了探究列车风作用下声屏障风压荷载问题,以某高铁线路矩形截面全封闭声屏障为研究背景,采用动模型试验方法,研究声屏障在高速列车以3种不同时速通过时的风压荷载分布。研究结果表明:高速列车通过声屏障时,压缩波传播到测点导致压力上升,膨胀波传播到测点导致压力下降,风压变化趋势与气压波传播规律相吻合;风压分布沿声屏障展向(长度方向)呈先增大后减小的趋势,建议取中间截面压力值为设计的参考压力;沿声屏障环向,跨中截面各测点压力峰值差异较小,压力变化幅值最大差异量为1.8%,风压荷载分布较均匀;出入口截面环向各测点的压力峰值差异较大,压力变化幅值最大差异量为40.8%,在声屏障进行结构设计时需要考虑出入口截面风压荷载沿环向不均匀分布的情况;沿声屏障高度方向,模型列车通过声屏障时在出入口截面引起的风压荷载不是呈线性变化,高度越高的测点压力衰减的越快;在跨中截面,高度变化对测点所受压力影响不大。

高山峡谷桥址处风场特性的大涡模拟研究

为研究高山峡谷桥址处的风场特性,采用大涡模拟对川藏线迫龙沟大桥桥址10 km范围内的风场特性进行模拟和分析。采用谐波合成法生成大气边界层来流,比较采用均匀来流和边界层来流作为入口边界时的模拟结果。研究结果表明:模拟获得的桥址平均风速剖面和脉动风速标准差剖面均与相应的风洞试验结果吻合良好,验证了大涡模拟的准确性以及其模拟脉动风特性的有效性;入口来流类型对桥址处平均风速剖面和脉动风速标准差剖面的形状影响较小,但边界层来流较均匀来流会降低桥址处平均风速并提高高空中脉动风速标准差;高山峡谷桥址梯度风高度大于规范推荐值,与高山峡谷周围的最大高差相近;与均匀来流相比,边界层来流下山体尾流区旋涡结构更加复杂。

主梁断面差异对大跨桥上风屏障防风性能影响的风洞试验研究

风屏障防风性能受下部结构形式影响较大,为了分析大跨桥梁主桥与引桥主梁断面差异对风屏障防风性能的影响,以某一新建高铁线路的大跨斜拉桥的主桥与引桥为背景,通过风洞试验研究主桥与引桥上列车在不同线路、风屏障高度和透风率等工况下的气动力系数、表面风压系数。研究结果表明:当风屏障参数相同时,主梁断面差异会导致列车气动特性产生较大区别,其中背风侧列车受到的影响较大,且列车位于流线型主桥断面上时气动特性对风屏障参数的变化更敏感;在不同参数风屏障下,主梁断面差异对于列车气动力的影响主要体现在列车迎风面与顶部风压的变化;主梁断面差异对于背风侧列车的侧倾力矩系数影响最大,列车位于主桥断面上时的侧倾力矩系数受风屏障参数变化影响最显著;设计风屏障时,应根据主桥与引桥的主梁断面分别选择适合的参数,以减少主梁断面差异对列车行车舒适性带来不利影响。

π型开口截面斜拉桥涡激振动的气动抑振措施试验研究

涡激振动是大跨度桥梁主梁在低风速下容易发生的一种风致振动现象,会影响行车安全性、舒适性和桥梁疲劳寿命,避免涡激振动的发生或抑制涡激振动振幅是桥梁抗风设计的热点问题。基于涡激振动对主梁气动外形敏感的特性,通过设计不同气动措施改善主梁的涡激振动性能,探究单个气动措施和多个气动措施组合的涡激振动抑制效果。以某π型开口截面斜拉桥工程为依托,对几何缩尺比为1∶37的刚性节段模型开展涡激振动研究,进行了风洞测振试验,并对下稳定板、检修车轨道位置和导流板等典型气动措施的抑振效果进行了测试。研究结果表明:主梁原设计断面存在明显的竖弯涡激振动现象,最大竖弯涡激振动振幅已超过规范限值;安装1道下稳定板可有效抑制竖弯涡激振动,安装多道下稳定板后,竖弯涡激振动振幅被限制,但同时会造成扭转涡激振动振幅增大,使用稳定板措施时应兼顾竖弯涡激振动和扭转涡激振动振幅的变化;检修车轨道的有无及位置变化对此截面的涡激振动性能影响较小,内移检修车轨道不能有效减小涡激振动振幅;在安装1道下稳定板的基础上增设导流板可进一步抑制涡激振动,安装下稳定板与导流板的组合措施可达到最优抑振效果。研究结果可为类似主梁断面涡激振动的气动控制措施选择提供参考。

公铁同层双幅非对称主梁气动干扰特性研究

为研究公铁同层非对称双幅桥主梁间的气动干扰效应,对某大跨度公铁双幅斜拉桥进行节段模型风洞试验,测试不同风向条件下单、双幅主梁的气动特性,并辅以数值模拟研究,在验证数值模拟结果准确性的基础上,分析单、双幅主梁周围流场的分布特征,研究双幅主梁间气动干扰效应的影响。研究结果表明:双幅主梁中的上游主梁和单幅主梁气动特性相似,但双幅主梁中的下游主梁气动特性发生明显变化,且下游公路主梁和下游铁路主梁气动特性的变化形式不同,由于双幅主梁的非对称性,上游主梁对下游主梁的气动影响特性并不相同。当铁路主梁迎风时,下游公路主梁上表面迎风侧所受正压减小,但下表面迎风侧所受正压增大,此时铁路主梁和公路主梁尾部均有交替旋涡脱落,双幅主梁处于双涡脱流态;当公路主梁迎风时,下游铁路主梁迎风侧风压的绝对值均减小,气流分离后再附位置向迎风侧移动,此时交替涡脱现象仅在铁路主梁的尾流区形成,双幅主梁处于剪切层再附流态。下游主梁气动特性的差异来源于双幅主梁非对称引起的气动干扰规律变化,不同来流方向下空气的绕流特征和主梁周围旋涡的脱落—附着行为存在明显区别,故必须综合考虑不同风向下双幅主梁的气动特性差异。研究成果可为考虑气动干扰效应的大跨公铁同层双幅桥气动设计提供参考。

导风屏障对高铁桥梁桥面风场影响的风洞试验研究

风屏障是常用的高铁桥梁防风设施,新型导风屏障能够减小屏障风荷载,兼顾风屏障和桥梁结构安全。为明确导风屏障的防风机理,通过1∶15的大比例节段模型风洞试验,采用开发的移动测试系统和眼镜蛇风速仪测试桥上的湍流度和3个方向的风速分量,研究导风屏障参数—导风面1倾角、导风面2高度和屏障下部尺寸对桥上三维风场特性的影响,并通过3种等效方法获得了不同试验工况下的等效风特性指标,为导风屏障参数设计提供依据。研究结果表明:导风屏障能够有效减小桥上风速,且具有较强的气流引导作用,横向风速比和垂向风速比最大分别可达0.25和0.17。导风面1角度改变对桥上风场影响较小,导风面2高度对横向和垂向导风作用影响明显,减小导风面2高度时横向风速比极值上升0.1以上。增大导风屏障下部尺寸可增强遮挡作用和导风作用,且能够抑制桥面附近的射流强度。遮蔽作用是导风屏障防风效果的主导因素,但导风屏障对气流的偏转作用亦会一定程度影响防风效果,考虑三维风特性的等效屏蔽参数与基于合成风速的等效风速的评价结果差异极值减少20%。

波形钢腹板钢梁日照非均匀温度场试验研究与数值仿真

波形钢腹板钢梁作为一种新型结构形式,凭借其优良的力学性能在桥梁工程中得到了广泛应用,但目前对于波形钢腹板钢梁日照温度场的研究尚且不足。针对波形钢腹板钢梁日照温度场开展实验研究,探求波形钢腹板钢梁日照温度场分布规律。实验期间所有测点的温度变化均以日为周期进行波动,与大气温度的变化趋势较为接近。波形钢腹板特殊的几何形式导致波形钢腹板钢梁不同截面的温度分布有着明显的差异,钢梁截面III的温度最高,截面II温度次之,而截面I的温度最低。波形钢腹板钢梁日照温度场表现出明显的非均匀性,实验期间截面I,II,III最大竖向温度梯度分别可达10.2,10.1和7.9℃。利用COMSOL有限元软件建立波形钢腹板钢梁日照温度场数值仿真模型,并利用日照温度场实验数据对该模型的准确性进行验证。钢梁截面I,II,III测点的AAE分别为1.2,1.1和0.9℃,MAE分别为3.1,3.1和3.0℃。基于热力学稳态分析理论,提出一种波形钢腹板钢梁日照温度场的简易计算方法,并利用温度实验数据检验了该计算方法的准确性,该方法可为实际工程中的钢梁温度场计算提供一种简单有效的工具。

横风下流线箱型桥-轨道交通车辆气动干扰风洞实验研究

轨道交通车辆与桥梁间存在显著的气动干扰,但现有研究大多以流线型高铁车辆和钝体外形的简支梁桥为研究对象,且往往重点关注桥梁对车辆气动力大小的影响。以某流线箱型轨道专用桥和钝体外形的轨道交通车辆为背景,首先通过刚性节段模型测力试验,利用开发的车-桥系统气动力同步分离装置对不同风攻角、车桥组合方式下车辆和桥梁各自的气动力进行测试,分析横风下车桥间气动干扰对车辆、主梁和车桥系统所受总体气动力的影响规律;然后结合烟线法获得的车桥系统绕流场显示结果,揭示车桥间气动干扰机理。研究成果可为以后典型车桥组合工况下车、桥气动力经验公式的提出奠定基础,以及深入认识车桥间气动干扰机理提供参考。

风屏障对车桥组合状态下中间车辆气动特性的影响

设置风屏障是提高行车安全的有效措施之一,但防风效果受风屏障参数、周围环境等多种因素影响。基于同步测压方法,结合本征正交分解技术对风压测点进行加密后通过积分获得气动力,以京沪高速铁路典型高架桥和CRH2列车为背景,研究多种风屏障参数对典型车桥组合状态下中间车辆气动力和风压分布的影响。研究结果表明:测压积分可获得与天平测力精度相当的气动力;风屏障对上游列车的防风效果显著,下游列车气动特性则受之影响较小;相对而言,风屏障透风率大小对列车气动特性影响较大,高度影响较小,且二者存在一个最优组合;设置风屏障后,尽管平均气动力会减小,但最大气动力由于特征紊流的影响可能会增大,风屏障参数应通过风洞试验或数值模拟慎重选取。