UHPC节段预制拼装桥梁断面设计及预应力体系分析

现阶段超高性能混凝土(UHPC)在桥梁工程项目中越来越常见,然而桥梁结构设计中做好超高性能混凝土的结构设计以及优化预应力体系对于强化桥梁性能的意义重大。在本次研究中,文章将结合某桥梁工程项目的实际情况,详细分析了该工程项目中超高性能混凝土节段预制拼装桥梁断面设计方法,并对其预应力体系优化思路展开详细研究。最后通过构建研究数学模型的方法,根据模型模拟结果评价其设计方案合理性,以模型仿真结果可以判断,在采用超高性能混凝土结构设计,可以减少混凝土材料的用量,且达到优化预应力布置的效果,具有可行性。

栏杆对典型桥梁断面涡激振动的影响研究

为了研究栏杆对典型桥梁断面涡激振动的影响,通过风洞试验分别研究了有无栏杆桥梁断面的涡激振动响应。试验研究表明:裸梁断面风洞试验没有发生涡激振动,上下表面的脉动压力对涡激振动的贡献很小;栏杆断面风洞试验则发生了明显的竖向涡激振动现象,上下表面中下游脉动压力对涡激振动贡献较大。栏杆使得上表面的来流分离更严重,改变了上表面的压力系数均值,但不能改变下表面的压力系数均值;栏杆不仅能够改变上表面的压力脉动分布,同时也显著增大下表面的压力脉动幅值。

桥梁断面的气动导数和颤振临界风速的数值计算

选取有代表性的大海带东桥、南京二桥流线型闭口箱梁断面和荆沙桥钝头开口板梁断面 ,用动网格法考虑流体和结构的耦合作用 ,用有限单元法求解原始变量二维不可压粘性流体的N S方程 ,计算其气动导数 ,并用半逆解法确定颤振临界风速。计算结果和实验值相当吻合。

桥梁断面气动导数识别的修正最小二乘法

分析了总体最小二乘方法在桥梁断面气动导数识别中存在的问题 ,提出了气动导数识别的修正最小二乘方法 .为防止由噪声信号所造成的非线性参数迭代求解时出现的发散现象 ,提出应用进度因子的措施 .通过对实测试验数据模态参数识别的验证 ,表明该方法比总体最小二乘方法具有更好的可靠性和强健性 ,收敛速度更快 .应用该方法可以识别出颤振甚至颤振后的桥梁断面气动导数 ,且识别精度有所提高 .

桥梁断面三分力系数的雷诺数效应

在TJ- 2风洞中 ,测量了近 2个数量级的雷诺数范围内不同宽高比的 2类桥梁断面的三分力 ;研究了桥梁断面三分力系数雷诺数效应、宽高比对断面三分力系数雷诺数效应的影响 .近流线型桥梁断面的阻力系数、升力系数都有明显的雷诺数效应 ;Π型断面阻力系数雷诺数效应与近流线型断面规律相反 ,升力矩及升力系数雷诺数效应不明显 ;宽高比对三分力系数雷诺数效应有明显的影响 ;

桥梁断面非线性自激气动力经验模型

为探讨桥梁断面的非线性自激气动力,基于平衡位置的Taylor级数展开式,建立了简谐运动下桥梁断面非线性自激气动力模型,获得了其复数和实数表达式,并说明了表达式中非线性气动参数的识别方法.该模型反映了简谐运动下桥梁断面非线性自激气动力的谐波叠加特性,可应用于桥梁的非线性气动稳定性分析.最后,应用该模型对某桥梁断面在简谐运动下的非线性自激气动力风洞试验时程数据进行了拟合.拟合结果表明,两者的误差在3%以内,验证了该模型的正确性.

三维风场下的不同桥梁断面形式的气动特性数值分析

基于计算流体力学(CFD)方法,计算风对桥梁的静力作用。首先在二维和三维风场环境中,分别计算了同一桥梁断面的三分力系数,将其与风洞试验结果进行了对比。然后在三维风场下,分别以扁平箱梁、分离式双边箱梁和∏型梁三种经典桥梁断面为结构模型,建立-5°～+5°共11个风攻角下的流场模型,以剪切应力输运k-ω模型为湍流模型,提取不同攻角下的三分力系数,绘制了桥梁结构模型周围的风场特征图,包括压力云图、速度和旋涡的分布图,分析不同桥梁断面形式的抗风性能。结果表明,三维的计算结果更加接近试验值,其阻力系数和升力系数与试验值的误差分别为1.36%和0.054%。通过三维数值分析得到的数据可以初步确定抗风性能好的断面类型,能为大跨度桥梁的设计与研究提供重要参数。

桥梁断面颤振导数识别的加权整体最小二乘法

在已有研究的基础上 ,基于桥梁节段模型自由衰减振动记录 ,提出了一种识别桥梁断面颤振导数的新方法———加权整体最小二乘法 (WELS)。该方法将同一风速下多次自由振动记录作为一个整体 ,在整体残差平方和最小的意义上同时对该风速下多次竖向和扭转运动时程曲线进行非线性最小二乘拟合 ,获取多条自由振动曲线共同的阻尼和刚度信息 ,从而提高了颤振导数识别的精度。为了避免弱信号被强信号“淹没” ,并使各时程信号的识别误差相当 ,识别过程中对各试验记录引入了加权因子 ,使各试验记录在整体残差分析中具有相同权重。此外 ,该方法对多次试验记录同时进行拟合 ,在一定程度上减弱了个别信号中有色噪声对迭代收敛性的影响 ,增加了非线性最小二乘迭代过程的稳定性。为考查加权整体最小二乘识别方法的有效性 。

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。

桥梁断面气动导纳的数值识别方法研究

针对一种气动导纳的数值识别方法进行研究。基于二维不可压缩URANS方法,选用SSTk-ω湍流模型,通过在来流中给定单一频率的竖向谐波速度分量,计算相应的桥梁断面气动力荷载时程,识别桥梁断面的气动导纳。首先考查来流脉动特性在计算域内的自保持能力,随后再对平板和桥梁断面的气动导纳进行识别,所得结果与理论解和试验值相比较,并讨论流场初始化条件的影响。结果表明:足够小的网格尺寸和时间步长是来流脉动不发生明显衰减的必要条件;平板的气动导纳识别结果与Sears函数高度吻合;数值识别的桥梁断面升力气动导纳在低频段与Sears函数一致,在高频段略低,但与试验值较接近;力矩气动导纳与Sears函数有较大差异,但与试验值基本吻合;流场初始化条件对计算效率有影响。

桥梁断面三分力系数数值模拟

应用数值模拟方法研究桥梁断面的雷诺数效应,采用计算流体力学(CFD)软件FLUENT中的3种不同的湍流模型,即标准k-ε模型、雷诺应力方程模型及Spalart-Allmaras模型,对流线形桥梁断面的三分力系数随雷诺数的变化进行数值模拟计算,并将数值计算结果与高雷诺数风洞试验结果进行比较。计算结果表明:数值模拟结果与风洞试验结果非常接近,阻力系数的最大误差不超过4%;升力系数的计算结果比试验结果要大,相对误差不超过3%;当雷诺数小于6.0×105时,升力矩系数的计算结果比试验结果要小,雷诺数大于6.0×105时,升力矩系数的计算结果比试验结果大,计算误差不超过6%。研究进一步证实了流线型桥梁断面存在着三分力系数的雷诺数效应。对于流线型桥梁断面,宜采用标准k-ε模型对其三分力系数进行数值模拟计算,计算结果能够符合精度要求。

桥梁断面18个颤振导数自由振动识别

桥梁断面的自激振动力可以用 18个颤振导数来表述 .在现有的两自由度体系总体最小二乘法基础上 ,发展了用于识别桥梁断面三自由度体系 18个颤振导数的方法和试验装置 .利用该方法对箱梁断面进行节段模型试验 ,得到了全部 18个颤振导数 .将三自由度试验结果与CFD(computationalfluiddynamics)方法得到的颤振导数进行了分析比较 。

桥梁断面颤振导数识别的耦合自由振动方法

通过对系统复模态的特征分析发现,只要给定一个折减风速,就可以唯一地确定出系统的振动模态参数;反之,如果已知某一折减风速(或折减频率)时系统的振动模态参数,将可以确定出对应于该折减风速的桥梁断面各颤振导数。基于该思想,建立了从系统振动模态参数确定桥梁断面颤振导数的方法,该方法理论严密,并根本上克服了现有耦合自由振动颤振导数识别方法存在的缺陷。通过数值算例对该桥梁断面颤振导数识别方法的可靠性和适用性进行了有效的验证,且该识别方法能够对桥面颤振发散后的颤振导数进行识别。

桥梁断面雷诺数效应

雷诺数效应是流体力学的传统基础性问题 ,随着桥梁跨度的增加 ,桥梁断面雷诺数效应研究日显重要。在近两个数量级的雷诺数范围内测量了两类桥梁断面的三分力 ,以及表面压力。研究了桥梁裸体断面三分力系数及表面压力系数的雷诺数效应 ,宽高比对裸体断面三分力系数 ,以及表面压力系数雷诺数效应的影响。近流线型桥梁断面的阻力系数、升力系数都有明显的雷诺数效应 ,Π型断面阻力系数雷诺数效应与近流线型断面规律相反 ,雷诺数对两类断面的表面压力分布具有较大影响。

典型桥梁断面软颤振现象及影响因素

采用弹簧悬挂节段模型测振的试验方法研究了常用的全封闭箱梁断面、中央开槽箱梁断面、半封闭箱断面和双边肋断面等4种典型桥梁断面可能出现的软颤振响应.试验结果表明:上述4种断面均可能出现不同尺度的软颤振现象,软颤振表现为弯扭自由度耦合的单频振动特征,其耦合程度不仅会随着风速的变化而变化,而且会随着断面流线性变好而增加;流线性较差的钝体断面的软颤振风速区间往往很宽.桥面附属结构会增强软颤振响应,而改变结构阻尼对软颤振稳定振幅的影响并不明显.

桥梁断面颤振稳定性的直接计算法

利用通用CFD软件进行桥梁断面颤振稳定性的直接数值计算对于初步设计阶段估计桥梁断面的颤振临界风速具有重要意义。基于CFD软件Fluent,发展了桥梁断面颤振稳定性的直接计算方法。利用直接计算方法对典型矩形断面和典型流线形断面的颤振稳定性进行了数值计算,并将计算结果与风洞试验结果进行了对比。对比结果表明了本文计算方法的正确性。

扁平箱形桥梁断面斯特罗哈数的雷诺数效应研究

斯特罗哈数的雷诺数效应是桥梁断面雷诺数效应研究中的一个重要问题.表面压力积分成气动力的方法在文中得到了应用,用这种方法不仅得到了气动力均值,更重要的是获得了气动力的时程,从而可以计算气动力的RMS值和频率.通过压力积分气动力主要频率计算出刚性支撑断面的斯特罗哈数,并研究了斯特罗哈数随雷诺数的变化规律.试验雷诺数范围为2.7×10^4～1.4×10^6,其中高雷诺数与实桥仅差一个数量级,能够反映实桥情况.在研究中发现扁平桥梁箱形断面的斯特罗哈数有明显的雷诺数效应,斯特罗哈数变化的过渡区雷诺数范围在2×10^5～4×10^5.

极端桥梁断面雷诺数效应研究

利用热线风速仪对两种极端桥梁断面的尾迹区的脉动风风速进行了测量,以模型高度为特征尺寸换算得到Strouhal数,并利用天平测得模型的三分力系数.以此为基础,分析了以梁高为特征尺寸的雷诺数与上述参数的关系.试验结果表明,在以П形梁为代表的钝体桥梁断面中雷诺数效应很小,可以忽略不计;在以南京二桥为代表的流线形断面的雷诺数效应不可以忽略,同时,试验表明传统的低雷诺数风洞试验给出的三分力系数结果偏于保守.

桥梁断面静风荷载的格子Boltzmann方法数值计算

通过引入反映湍流涡粘性的湍流松弛,得到了模拟高雷诺数湍流的BGK方程。在速度相空间、物理空间和时间上对BGK方程进行离散得到了三维十九速离散速度模型;结合分区计算技术,设计了格子Boltzmann并行算法;根据亚格子Smagorinsky模型,提出了直接从粒子分布函数计算湍流松弛时间的方法。用开发的并行计算程序对分体双箱截面和闭口箱梁截面的静风荷载进行了数值识别,得到的静力三分力系数和流场压力分布与风洞试验结果及CFD宏观方法计算结果吻合,并从表面压力分布入手分析了两种桥梁截面的绕流特点。

桥梁断面颤振导数的CFD全带宽识别法

由于需要在不同折算风速下重复进行大量试验或CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟,现有风洞试验和CFD方法识别桥梁断面颤振导数耗时且效率低。提出一种基于CFD离散时间气动模型,快速识别感兴趣折算风速带宽内任意折算风速下桥梁断面颤振导数的全带宽识别法。该法基于任意拉格朗-欧拉描述的有限体积法和多层网格技术,首先计算作用在桥梁断面上的非定常气动力,CFD模拟时强迫桥梁断面以单自由度竖弯或扭转方式振动,位移模式为定义在感兴趣的频率范围内的指数脉冲时间序列。然后利用得到的气动力和该指数脉冲输入,通过系统识别建立起反映桥梁断面气动力系统特性的离散时间气动模型。随后利用该气动模型仿真桥梁断面在简谐位移激励下的气动力响应,并由该模型的输入和响应通过系统识别得到桥梁断面的颤振导数。该法在竖弯和扭转方向各仅需一次CFD模拟,就可构造离散时间气动模型,使得颤振导数识别的计算量显著降低。开展了三汊矶大桥加劲梁断面颤振导数识别和颤振临界风速计算,研究结果与风洞试验的一致性,证明了方法的可靠性和高效性。