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%.

检修车轨道对窄幅流线型箱梁涡振性能影响研究

为给窄幅流线型箱梁抗风设计提供参考,以某窄幅流线型钢箱梁悬索桥为背景,进行节段模型风洞试验,考虑风攻角,分析检修车轨道对箱梁涡振性能的影响;通过数值模拟,研究检修车轨道及其位置对箱梁绕流特性的影响机理及抑振措施的有效性。结果表明:窄幅箱梁在+3°、0°风攻角时的竖向涡振最大振幅较-3°风攻角时分别增大348%、189%;0°风攻角时,检修车轨道布置于箱梁底板内侧1/6底板宽度位置,窄幅箱梁竖向涡振最大无量纲振幅减小60.8%;在此基础上,检修车轨道内侧布置导流板后,箱梁竖向涡振最大无量纲振幅减小79.9%;检修车轨道布置于箱梁底板且布置导流板时,与检修车轨道布置于斜腹板相比,窄幅箱梁竖向涡振最大振幅大幅减小,箱梁周围的流动结构更加稳定,改善了箱梁涡振性能;将检修车轨道向箱梁底板内侧移动或布置导流板是抑制检修车轨道引起窄幅箱梁涡振的有效措施。

大跨铁路桥窄幅流线型箱梁涡激振动试验及抑振措施研究

为有效抑制大跨铁路桥窄幅流线型箱梁的涡激振动,以某主跨335 m的窄幅流线型箱梁铁路斜拉桥为背景,设计、制作缩尺比1∶30的主梁节段模型进行风洞试验。研究不同风攻角、阻尼比下的主梁节段模型涡激振动性能,结合数值模拟法分析涡激振动诱因,并基于此进行抑振措施研究。结果表明:竖向阻尼比为0.20%时,-5°、-3°和0°风攻角下,主梁未出现涡激振动;+3°和+5°风攻角下,主梁出现竖向涡激振动,竖向涡激振动的最大无量纲振幅分别为14.4、19.4;增大竖向阻尼比可以有效抑制主梁的竖向涡激振动,但无量纲涡激振动风速区间基本未发生变化。栏杆基座是诱发主梁涡激振动的主要因素,栏杆基座与挡砟墙之间及栏杆后侧的分离涡主导主梁发生涡激振动,去除栏杆基座后桥面较大尺寸的分离涡被打散为小尺寸分离涡。封闭栏杆不能完全抑制主梁涡激振动,去除栏杆基座并优化为集水槽后,主梁迎风侧风嘴处气流的分离作用被弱化,可完全抑制主梁竖向涡激振动。

流线型箱梁涡激共振响应模型尺寸效应

针对闭口流线型钢箱梁涡激共振响应风洞试验研究中存在的尺寸效应问题,依托广东南沙至中山高速公路洪奇门特大桥,采用风洞试验和计算流体动力学相结合的方法进行研究.首先分析了两种几何缩尺比下闭口流线型箱梁节段模型风洞试验中涡激共振响应的差异;然后,采用流固耦合数值模拟方法计算了不同缩尺比闭口流线型箱梁断面涡振响应.结果表明:闭口流线型钢箱梁涡激共振响应存在明显的模型尺寸效应,表现为常规比例(λ_(L)=1/60)主梁节段模型涡振振幅大于大比例(λ_(L)=1/30)主梁节段模型涡振振幅;二维数值模拟计算得到的涡激共振响应锁定风速区间、振幅与风洞试验结果吻合较好,验证了数值模拟方法的精度,同时也表明模型长宽比及试验阻塞率的差异不是闭口流线形箱梁涡激共振尺寸效应的主要影响因素;随着主梁断面模型缩尺比的增大,其涡激共振响应总体呈现下降趋势,且不同缩尺比下主梁断面静态绕流流场的涡脱频率分布存在显著差异.

栏杆高度对流线型箱梁涡振性能影响的试验研究

为研究栏杆高度对流线型箱梁涡激振动性能的影响并揭示其机理,通过节段模型风洞动态测压与测振试验,研究了流线型箱梁涡振响应、平均和脉动风压系数、频域特性以及局部升力对涡振的贡献系数分布情况.结果表明:安装栏杆后主梁表面的平均风压系数增大,脉动风压系数变化复杂,脉动风压卓越频率与模型自振频率基本一致,局部升力对涡振的贡献作用增大,使主梁涡振加剧;栏杆高度的变化对主梁表面平均风压系数基本没有影响,但对其脉动风压系数的分布规律及脉动压力功率谱幅值有较大影响;栏杆高度的变化,使主梁上表面前部和尾部区域的局部升力对涡振贡献程度呈现出显著差异,当贡献值增大时,主梁涡振响应增大.当栏杆高度为45%的梁高时流线型箱梁的涡振幅值最大,在此基础上适当降低或增大栏杆高度均有一定的抑振效果,降低栏杆高度效果更好.研究结果为流线型箱梁栏杆的设计和相关研究提供了依据和参考.

倾斜栏杆对流线型箱梁涡激振动性能影响的试验研究

涡激振动(VIV)是大跨度桥梁在低风速时易发生的具有强迫和自激双重性质的自限幅风致振动现象,桥面栏杆因其会改变主梁的气动外形而对涡激振动有显著的影响。为了揭示倾斜栏杆对流线型箱梁涡激振动特性的影响及作用机理,采用节段模型风洞测压和测振试验方法,研究不同倾斜角度栏杆对流线型箱梁涡振特性和表面风压的影响,分析了主梁涡振响应、平均和脉动风压分布、局部气动力与涡激力的相关性和贡献系数以及相位差。结果表明:当人行道栏杆内倾时,倾斜角度越大,抑振效果越显著。当人行道栏杆外倾时,外倾10°的主梁抑振效果优于外倾20°的主梁;相比常规的垂直栏杆,栏杆向内倾斜20°和向外倾斜10°有显著抑振效果的原因主要有:主梁上、下表面的脉动风压系数大幅度较低,最多降低了61.54%;在主梁上表面大部分区域,局部气动力与涡激力的相关性系数大幅降低,平均降低了约33.33%;在上表面上游前部和下游尾部及下表面大部分区域的涡振贡献系数均有不同程度的降低;上、下表面各测点间相位差变化的连续性被打断,相邻测点间的相位差更加离散化。

流线型箱梁涡激振动的气动力演化规律

涡激振动是大跨度流线型箱梁桥在低风速下常见的风致振动形式,对桥梁结构的疲劳寿命和行车舒适性有较大影响。为揭示流线型箱梁涡激振动机理,有必要研究其涡激振动的气动力演化规律。以某流线型箱梁桥为对象,通过同步测振测压的风洞试验方法,获得了+5°风攻角下主梁模型的涡激振动响应及表面测点风压时程,对比分析了涡激振动前、涡激振动振幅上升区、涡激振动振幅极值点、涡激振动振幅下降区和涡激振动后五个不同阶段模型表面的平均风压系数、脉动风压系数和涡激力的变化规律。结果表明:在涡激振动的不同阶段,流线型箱梁表面平均风压系数变化不大,而脉动风压系数分布具有明显的演化过程。涡激力在涡激振动振幅上升区、涡激振动振幅极值点及涡激振动振幅下降区有明显的卓越频率,且与结构自振频率相近,涡激振动前和涡激振动后无明显卓越频率。涡激力卓越频率对应的振幅与涡激振动位移振幅正相关,两者同在涡激振动振幅极值点处达到最大。

孤立波浪边界干扰下流线型箱梁气动特性

近海流线型箱梁主梁距水面较低时,气动特性极易受到极端波浪边界的干扰.为研究极端波浪边界干扰下流线型箱梁气动特性,以孤立波浪模拟极端波浪,基于FLUENT软件,采用铺层网格技术建立了模拟运动孤立波浪边界干扰下流线型箱梁气动特性的数值模型;利用所建立并验证的数值模型研究了不同参数下运动孤立波浪边界对流线型箱梁气动特性(静气动力系数、涡量场以及平均压力系数和脉动压力系数分布)的干扰.分析结果表明:不同孤立波浪边界运动速度干扰下流线型箱梁气动特性明显区别于无波浪工况;随波浪边界运动,迎风角处剪切层方向相比于梁底转折角处(8°风攻角)及梁顶转折角处(-8°风攻角)剪切层方向变化明显;在运动孤立波浪边界干扰下,箱梁抖振响应会随风攻角幅值增大呈增大趋势.

宽幅流线型箱梁涡振性能及制振措施研究

为了抑制宽幅流线型箱梁涡激振动,以青山长江大桥(大跨度宽幅流线型钢箱梁斜拉桥)为背景,通过1∶50节段模型风洞试验,在低阻尼条件下研究了主梁的涡振性能以及不同气动措施包括风嘴、检修车轨道、导流板、抑振板和检修道栏杆对涡振性能的影响.结果表明:采用外形较锐的风嘴可改善主梁的气动性能;通过改变检修车轨道位置、轨道支架高度及在其两侧设置导流板对抑制涡振效果不明显;在防撞栏杆后按隔五封一方式布置抑振板,可以使竖向涡振振幅降低45%;高透风率的圆形截面检修道栏杆可显著改善主梁的涡振性能,使涡振振幅降低63%,并且该措施不会影响桥梁美观性、便于工程应用.通过1∶27大比例尺节段模型风洞试验,对高透风率圆形截面检修道栏杆的抑振措施进行了验证,结果表明该措施可有效抑制宽幅流线型箱梁涡振.

流线型箱梁气动外形对桥梁颤振和涡振的影响

以某流线型钢箱梁断面为例,详细研究了主梁气动外形变化对桥梁颤振和涡振性能的影响。基于1∶50节段模型风洞试验,分别研究了箱梁的栏杆、检修车轨道、风嘴、导流板,以及斜腹板对桥梁颤振及涡振性能的影响。研究表明,栏杆和检修车轨道将弱化桥梁断面的气动性能,而风嘴和导流板则对桥梁的颤振和涡振性能有利。值得提出的是,在其他气动外形保持不变,而斜腹板倾角变为15°时,桥梁的颤振性能不仅获得了较大提升,且涡振现象还可得到消除。此现象的初步机理为:较小的斜腹板倾角可阻碍和延后流线型箱梁下风侧漩涡的形成和脱落,从而显著削弱漩涡脱落对桥梁涡振和颤振的影响。详细的气动机理还有待深入研究。此点发现对于大跨度桥梁的抗风设计具有重大的参考价值和实际意义,并已经成功应用于国内多座大跨度桥梁的气动外形设计中。

检修车轨道导流板对流线型箱梁涡振的影响

为研究流线型箱梁的涡激振动特性及涡振抑振措施,以某大跨度钢箱梁斜拉桥为工程背景,通过1∶50节段模型风洞试验研究了主梁断面涡激振动响应;采用计算流体力学(computational fluid dynamic,CFD)分析主梁断面的二维流场.研究结果表明,检修车轨道处漩涡脱落明显,对主梁断面涡激振动性能影响较大;导流板位置从检修车轨道外侧移动到检修车轨道内侧,主梁断面升力系数均方根值减小了24%;在检修车轨道内侧设置导流板,可以有效抑制主梁涡激振动.

大振幅下薄翼和流线型箱梁的气动迟滞研究

回顾了机翼和箱梁的气动迟滞效应研究现状,介绍了大振幅下获取薄翼和流线型箱梁自激气动力的风洞试验。研究结果表明:薄翼在超过失速角的振幅条件下,升力并没有出现明显的失速现象,但气动力的高阶谐波分量显著增加;大振幅条件下,流线型箱梁的气动力高阶谐波分量也比较显著,并以第2和第3阶谐波分量为主。此外,在大振幅条件下,流线型箱梁的气动力矩迟滞曲线可出现"8字环",即气动力在一个振动周期内既做了正功也做了负功;其中,迟滞曲线"8字环"的气动正功部分随着振幅和折算风速的增大而增加。该现象可导致桥梁也出现类似于失速机翼的极限环震荡。最后,基于不同振幅下流线型箱梁的力矩迟滞曲线,简要讨论了大跨度桥梁在颤振后状态可能出现的振动形式和气动稳定性。

流线型箱梁断面涡激力展向相关试验研究

针对闭口流线型主梁结构涡激力展向相关性问题,在均匀流场条件下分别对振动状态和静止状态流线型主梁节段模型进行了不同风攻角的涡激力展向相关性试验研究,分别分析了流线型主梁断面涡激振动响应、涡激力展向相关性及主梁表面压力等.结果表明:振动状态主梁断面涡激力展向相关系数与振幅、锁定区风速等相关,锁定区上升段主梁断面涡激力展向相关系数大于锁定区最大振幅处主梁断面涡激力展向相关系数,扭转涡振锁定区升力矩展向相关系数大于竖向涡振锁定区竖向涡激力展向相关系数;振动状态主梁断面测点压力系数展向相关系数与振幅相关,振幅越大则相关系数越大.

流线型箱梁气动外形的数值优化

为改善基于风洞试验的桥梁断面气动外形优化方法所固有的人力物力耗费、搜索范围有限等缺点,提出了一套基于数值计算和数学策略的主梁气动外形优化方法。选取断面下腹板倾角和梁高作为设计变量,以计算流体力学(CFD)模拟和颤振时域法作为数值计算手段替代风洞试验,将试验设计、蚁群混合遗传算法与Kriging代理模型作为协同数学策略替代试错法,探索优化了苏通长江大桥流线型箱梁断面颤振性能最佳的参数匹配方案。结果显示,设计域内最优断面颤振临界风速比原型断面提高8%,下腹板倾角相比梁高对颤振性能影响更大,且存在交互作用。主梁断面气动外形数值优化方法能够较好地取代风洞试验进行外形寻优,研究对以后大跨度桥梁断面选型具有借鉴意义。

扁平流线型箱梁涡激振动雷诺数效应研究

风洞试验作为研究涡激振动的重要手段,由于其本身条件的限制,可能存在雷诺数效应问题,造成试验值和实际值的偏差。为了研究扁平流线型箱梁涡激振动的雷诺数效应,选取某大跨度斜拉桥的扁平流线型箱梁作为研究对象,利用风洞测振试验,通过调节模型系统自振频率,实现不同雷诺数下的涡激振动,研究扁平流线型箱梁的涡激振动特性及其雷诺数效应;利用风洞测压试验,研究了主梁断面的风压分布规律及其对涡激振动的贡献。结果表明:扁平流线型箱梁的涡激振动存在明显的雷诺数效应,高雷诺数下的振幅较低雷诺数下更小;在某一雷诺数下,与下表面相比,主梁上表面对涡激振动的贡献更大,尤其是腹板区域的下游部分;在不同雷诺数下,主梁脉动风压分布存在显著差异,脉动风压系数随雷诺数的改变是造成涡激振动雷诺数效应的原因。

多孔扰流板对封闭流线型箱梁涡振减振效果

以某封闭流线型钢箱梁斜拉桥为工程背景,通过节段模型风洞试验进行了多孔扰流板各参数如宽度、透风率、孔径对其涡振减振效果影响规律的研究。结果表明:多孔板平行于主梁两侧斜腹板,当各参数取值合适时,可有效地减小模型在+3度风攻角下的扭转涡振。

采用机器学习方法评估流线型箱梁颤振临界风速

为在工程设计初步阶段快速评价流线型箱梁颤振性能,基于4种机器学习算法(支持向量机回归、神经网络、随机森林回归和高斯过程回归),利用自由振动风洞试验获取的15种不同流线型箱梁断面在5种不同风攻角下的颤振临界风速,建立了从气动外形与动力参数到颤振临界风速的颤振临界风速预测模型。结果表明:支持向量机回归模型预测结果整体精度最高,且在实际桥梁上表现性能较好;神经网络模型较差,但其相对误差仍远低于JTG/T 3360-01-2018《公路桥梁抗风设计规范》中提供的3种不同颤振临界风速简化计算公式的结果。该研究的结果符合预期要求,未来可进一步扩充数据集,以期成为对抗风设计工作者提供高精度颤振性能评估的有力工具。

非均匀风下流线型箱梁悬索桥静风稳定性分析

大跨度悬索桥结构轻柔,风致响应明显。借助有限元方法,考虑悬索桥的几何非线性和位移荷载非线性,对非均风攻角来流沿主梁对称分布和非对称分布以及非均匀风速来流沿主梁对称分布和非对称分布时悬索桥的非线性静风稳定性展开研究。结果表明:正攻角来流会降低桥梁的静风失稳临界风速,负攻角来流有利于桥梁抵抗静风失稳,且负攻角来流对桥梁的静风稳定性影响程度比正攻角来流影响程度大;非均匀风攻角来流非对称分布时,可由小风攻角来流确定的静风失稳临界风速作为稳定性判断依据,非均匀风攻角来流对称分布时,可以选择平均攻角来流衡量桥梁的静风稳定性。非均匀风速来流对桥梁的静风稳定性有不利影响,且非均匀风速来流对称分布时的影响比非均匀风速来流非对称分布时的影响更大。在不同初始攻角下,这类来流对桥梁静风稳定性有着相似的影响,桥梁的静风失稳临界风速均随着风速非均匀程度增大而减小。

流线型箱梁断面的非线性颤振幅值特性研究

流线型箱梁断面的自激气动力与振幅非线性相关。为更加准确地预测颤振临界风速,同时探索大振幅振动下的颤振后状态,建立数值风洞模型识别出随折算风速与振幅变化的气动自激力,并计算出相应的非线性颤振导数。在经典的颤振理论基础上,提出更加精细的考虑颤振幅值因素的二自由度复模态特征值求解方法。基于此方法,编制了非线性颤振幅值幅响应搜索程序,并对颤振后幅值特性进行研究。研究表明:单频单自由度振动下,随着幅值增大,桥梁断面气动力非线性成分比重扩大,单频单一扭转运动下尤其明显;所建立的颤振求解方法能准确预测颤振临界风速;流线型箱梁发生颤振后,振幅会出现阶跃性增长,达到某一大幅值后,又基本处于振幅缓增的振动状态。

基于吸气的流线型箱梁涡振主动流动控制试验研究

为提高流线型箱梁涡激振动性能,以某主跨为808 m的流线型钢箱梁悬索桥为背景,提出一种普遍适用于流线型箱梁的基于吸气的涡振主动流动抑制措施,即在主梁上、下游相应气孔进行吸气,从而对桥梁展向风场进行干扰,避免涡脱产生,从而削弱涡振振幅。对1∶50缩尺比的刚性节段模型进行风洞试验,设置不同主动吸气气孔参数,对最不利攻角下的主梁涡振响应进行研究。结果表明:主梁原断面在+5°攻角下竖弯及扭转位移响应均超过规范限值;基于吸气的涡振主动流动控制措施对流线型箱梁的涡振区间及振幅影响明显;下腹板吸气、吸气速率10 m/s能够完全抑制竖弯涡振的产生,抑振效果理想;上腹板吸气对扭转涡振的抑制效果更加明显;上游下腹板吸气气孔间距2.5 m、吸气速率5 m/s可将竖弯及扭转位移响应控制在规范限值内。