桥梁风工程研究中的雷诺数效应研究进展

桥梁风工程研究中的雷诺数效应问题是伴随着风洞试验方法产生的一个基础性问题,随着桥梁尺寸的增大其雷诺数也逐渐增大,风洞试验雷诺数和实桥梁雷诺数的差别对试验结果的影响越来越受重视。该研究阐述了雷诺数效应问题的由来,回顾了雷诺数效应研究的发展历程,总结了针对圆形断面、矩形断面、主梁断面等不同桥梁结构断面雷诺数效应问题的研究进展,包括结构周围流场、气动力、风致振动随雷诺数的变化,指出了桥梁风工程雷诺数效应研究中尚待解决的问题,为今后该领域的研究提供参考和建议。

基于WRF模式的康定地区风吹雪易发性判断

为给通过地形复杂,缺少气象资料的西南艰险山区的铁路研究风吹雪易发性提供方法,以位于该区域的四川省康定市为例,采用中尺度数值天气预报模式(The Weather Research and Forecasting Mode,WRF)对该区域气象要素的时空分布进行模拟.基于WRF模式中各种参数的特点,设计4种参数方案进行计算,采用双层网格嵌套达到降尺度模拟,为了高精度解析大气边界层过程,在竖直方向、近地面1.5km高度内加密为15层,提取康定站计算结果与观测结果进行比较.结果表明,WRF模式的计算结果符合康定市气候特征,气象要素的相关系数均高于0.5;风吹雪发生概率从高到低的区域依次为康定市东部和南部边缘的贡嘎山区,内部的大雪山段,以及位于101.7°E~102.0°E位置处的铁路线路,概率分别为19%、14%和12%,其他区域的概率低于4%.

带有纵向肋条斜拉索风荷载特性研究

相关研究表明纵向肋条对斜拉索风雨振有良好的抑制效果,但对斜拉索风荷载特性的影响尚未明确。在斜拉索表面布置了宽度和高度均为5 mm的2根长方体肋条,通过风洞测压实验,研究其在不同雷诺数下环向和展向平均风压分布的影响规律。结果表明:肋条使斜拉索展向风荷载在分离点产生了较强的三维性,风荷载沿展向无明显变化规律;双分离泡区内,肋条对于斜拉索的环向风荷载分布规律影响较小;肋条改变分离点的位置,加快了层流到湍流的转捩,使得临界区提前;在低雷诺数区,肋条会加强斜拉索表面流场的三维性,随着雷诺数的升高,斜拉索表面流场的三维性先增强后减弱,到达双分离泡区后,斜拉索流场的三维性趋于稳定。

迎风角对跳台滑雪运动员飞行气动性能影响的研究

以探究迎风角对跳台滑雪运动员与滑雪板组成的多体系统的飞行气动性能的影响为目的,采用CFD数值模拟方法,在风速为29 m/s情况下,研究了多体系统迎风角为15°、20°、25°、30°、35°、40°六种情况下的气动性能变化情况。并在保证跳台滑雪运动员姿态以及飞行速度不变的情况下,以多体系统的升阻比作为衡量标准,对迎风角对多体系统气动性能的影响情况进行了评估。研究得出:多体系统升阻比随迎风角的增大呈递减趋势,且不同迎风角之间多体系统升阻比差异较大。在多体系统迎风角取为15°时,整个多体系统的升阻比取得最大值,有利于运动员取得良好的气动性能。此外,迎风角对跳台滑雪运动员气动性能影响的研究可为运动员比赛技巧相关的训练提供一定的指导作用。

煤棚表面风压的多尺度长短期记忆神经网络预测方法

风荷载是影响大跨度空间结构安全性和稳定性的关键因素之一,因此研究结构表面风压对煤棚结构设计具有重要意义。风洞试验是获取煤棚结构表面风压的主要方法,但其存在成本较高和耗时较长的问题。利用风洞试验积累的大量数据发展风压快速预测方法是目前的研究热点之一。该文以长短期记忆(Long Short-Term Memory,LSTM)神经网络为基础,建立了煤棚结构风压时序预测模型,该模型利用高斯平滑将实验数据分为光滑数据和脉动数据,进而分别训练大尺度网络和小尺度网络。结果表明:所提出的多尺度网络预测模型可以实现对煤棚表面风压的快速预测,且相比于传统LSTM神经网络,多尺度LSTM神经网络具有误差小、精度高等优势。因此,基于LSTM的多尺度神经网络可以为煤棚等大跨空间结构表面风压提供依据。

全风向下平单轴光伏支架风致扭转气动失稳试验研究

针对平单轴光伏支架风致扭转气动失稳问题,采用全气弹模型,在风洞中复现了光伏支架的扭转气动失稳现象。通过对扭转响应和临界风速的分析,明确了平单轴光伏支架的风致振动特性。结果表明:光伏支架在-45°~45°的倾角范围内都可能发生扭转气动失稳,光伏组件水平放置时临界风速较高;小倾角下阻尼对临界风速影响较小,大倾角下增加阻尼可以提高临界风速;随着来流与光伏支架法线方向夹角(风向角)的增大,临界风速逐渐增加;斜风向下光伏支架尾流端部振动比迎风端部更剧烈。

防风网对大跨度煤棚风荷载特性的影响

为了研究防风网对大跨煤棚风荷载的影响,通过风洞刚性模型测压试验,对3种透孔率的防风网下煤棚表面风荷载进行研究,分析了风向角、有无防风网和防风网透孔率对典型测点和分区的体型系数以及测点的脉动风荷载的功率谱特性的影响。结果表明:不同风向角下,结构体型系数极值出现的位置和范围差别较大;防风网对减小煤棚风荷载有较好效果,放置防风网后煤棚表面呈现为绝对值较小的负压;大部分风向角下,20%的透孔率防风网对减小风荷载效果更好;不同位置测点受来流脉动影响情况不同,煤棚迎风侧角部测点脉动风荷载无量纲功率谱数值较大,且功率谱成分复杂,放置防风网后其峰值明显减小。

龙卷风作用下高速铁路全封闭声屏障风荷载特性研究

高速铁路全封闭声屏障作为典型的长距离线状风敏感结构,其遭遇龙卷风袭击的几率较大。为深入理解龙卷风作用下结构的风荷载特性,以深茂铁路某2 km全封闭声屏障为工程背景,基于Ward型龙卷风模拟器原理建立龙卷风场模型,分析龙卷风距离声屏障中心不同距离r、龙卷风不同移动角度路径和不同地面植被覆盖面积比η下全封闭声屏障结构风荷载特性。结果表明,龙卷风作用下,全封闭声屏障表面风荷载以风压力为主,0°移动路径下、η=0时,结构表面风压整体较大,在r=0处结构表面出现最大负风压系数-1.13,阻力系数C_(F_(x))和升力系数C_(F_(z))出现最不利值,分别为0.27和-0.49;在r/R_(m)=1(R_(m)为龙卷风场涡核半径)处结构表面出现最大正风压系数2.91,力矩系数C_(M_(y))及C_(M_(z))出现不利值,分别为0.44和0.39;全封闭声屏障进行抗龙卷风设计时需要考虑断面的环向压差,建议在结构迎风侧、背风侧和顶部分别取最大正风压极值的60%、40%和最大负风压极值的70%进行组合。

不同风向角下干扰效应对超高层建筑横风向风振响应影响的试验研究

通过气弹模型测振试验,分析了2个相同尺寸的建筑模型,在折减风速、风向角和施扰位置改变的情况下,受扰建筑顶部横风向加速度响应的变化情况。绘制了加速度响应均方根的干扰因子IF和全风速情况下的包络干扰因子EIF等值线图,讨论建筑在不同情况下受到的干扰效应,并进行了典型工况的时频分析。结果表明,两建筑串列布置且施扰建筑位于y/b=6时,建筑横风向加速度响应均方根达到最大值;两建筑并列布置且施扰建筑位于x/b=2时,建筑横风向加速度响应均方根减小最为明显;随着风向角的增加建筑横风向加速度响应均方根有所减小;施扰建筑位于上游对受扰建筑风振响应的影响较为强烈,普遍会放大受扰建筑的风振响应;不同风向角各施扰位置受扰建筑的EIF基本在1.0以上,其中30°风向角、施扰建筑位于y/b=6,x/b=0时,其EIF最大可达2.68;上游位置的干扰会使受扰建筑的卓越频率有所减小,并降低其低频段和高频段能量。

透风率及积雪形态对防雪栅防护效果的影响

针对道路风吹雪灾害的工程防雪措施,采用数值模拟与现场实测相结合的方法,系统研究防雪栅透风率和不同阶段积雪形态对防雪栅周边流场的影响特性,分析不同阶段积雪的形成机理,得到防雪栅周边积雪的演化规律。结果表明:随着防雪栅透风率的增加,防雪栅背风侧低速区以及旋涡范围逐渐缩小,雪颗粒堆积的速度变慢,对于不同透风率的防雪栅,积雪均最先在其背风侧5 H~9 H范围内发生沉积(H为防雪栅高度),并逐渐向两侧延伸;防雪栅底部间隙使得气流在防雪栅底部被加速,雪颗粒不易沉积,有效延长了防雪栅被积雪掩埋的时间;防雪栅两侧-2.5 H~18 H范围雪颗粒均会发生沉积,随着积雪厚度的不断增加,积雪的增长速率逐渐趋缓。

风致路堑积雪演化过程试验与模拟研究

路堑是交通线路常见的路基断面形式,因断面构造特征较路堤更容易发生风致雪灾害。为了给实际道路断面形式设计和风吹雪灾害防治提供建议和参考,采用风洞试验与数值模拟方法,研究了4种不同开敞形式的路堑在不同风速下风致雪漂移堆积演化过程,分析了风速和路堑开敞形式对积雪分布和演化过程的影响,并基于路面积雪量和积雪深度评估了不同路堑抵御雪灾害能力。结果表明:当上风侧边坡坡度大于下风侧边坡坡度时,路堑路面积雪量最少,路面的积雪最薄;增大风速和增加持续时间会加剧路面积雪,是影响积雪分布的重要因素;改变路堑边坡对减少路面积雪量作用有限,需设置其他防治措施来减轻道路风致雪灾害。

结构干扰对煤棚表面风荷载影响的试验研究

为了确保大跨煤棚结构不被风荷载破坏,通过刚性模型测压风洞试验研究有、无干扰对煤棚结构风荷载的影响。结果表明:结构正对来流方向主要承受风压力作用,屋盖顶部主要承受风吸力作用,屋盖顶部风吸力最大;风荷载沿风向表现明显梯度,具有渐变性;施扰煤棚遮挡效应整体减小了受扰煤棚的风荷载,但也要注意干扰造成受扰煤棚局部风荷载变大的不利影响;当待测模型和干扰模型沿风向并列布置时,结构中间区域风荷载几乎不随跨向位置改变而改变,结构沿展向部分区域风荷载急剧变化。研究结果可为大跨煤棚结构抗风设计提供参考依据。

不同规范斜拉索风荷载计算方法对比研究

为深入了解斜拉桥斜拉索的风荷载计算方法以提高斜拉索风荷载计算精度,对中国规范、日本规范和ESDU中斜拉索风荷载计算方法进行对比。在此基础上,以苏通长江公路大桥为背景,计算单个索面A1~A34斜拉索的横、顺桥向风荷载,定量分析不同规范斜拉索风荷载计算结果差异。结果表明:对于阻力系数,ESDU考虑因素更全面;对于动力放大系数,日本规范比中国规范更精细;斜拉索的顺桥向阻力小于横桥向阻力,但不同规范两者之间的比例不同;不考虑动力放大作用时,对于单索面横桥向阻力,ESDU<日本规范<中国规范,考虑动力放大作用时,中国规范<日本规范;对于单索面顺桥向阻力,中国规范最大。整体而言,关于斜拉索风荷载的计算结果,中国规范和日本规范比ESDU更偏保守。

风荷载作用下柔性光伏支撑索轴力分析

为了分析风荷载对柔性光伏支架结构中索轴力的影响,通过刚性模型测压风洞试验获得不同风向、倾角和间距比下柔性支撑光伏组件的风荷载,建立3类柔性光伏支架分析模型并计算不同工况下的索轴向力。结果表明:支架不同位置的光伏组件风荷载不同,中间区域风荷载较大;将光伏组件的风荷载作为集中荷载施加在柔性索上引起的索轴力较大;不同倾角光伏支架受力随布置形式(间距比)的变化规律也不一致。基于分析结果,建议采用小间距大跨度的柔性光伏支架形式,将间距比控制在0.1以内,并将风荷载以集中力的形式施加于柔性索上,通过本研究提出的轴荷比估算风荷载引起的索轴力。

侧风下风障对滑雪跳台比赛风环境的影响研究

滑雪跳台与桥梁结构类似,风障也可以为跳台滑雪运动创造一个低速的比赛风环境。采用数值模拟的方法,研究了风障透风率对滑雪跳台挡风效果的影响,系统分析了涡旋结构、无量纲风速、风环境影响系数和湍流度随风障透风率的变化特性。结果表明:侧风作用下,风障的存在明显改变了滑雪道上空的风场结构,但同时在运动员跳跃高度处会产生较大的竖向风速分量,显著干扰比赛的公正性;滑雪道上空的风环境影响系数随风障透风率的增加呈减小后增大的趋势,其中透风率为10%~20%时风障挡风效果最优,其挡风效率高达79%~97%,同时也可以有效降低运动员跳跃高度处的竖向风速分量,但风场的湍流度会明显增大;考虑滑雪跳台主体结构对风荷载的作用较不敏感,应优选设置10%~20%透风率的风障。

空气幕在U型竞技场地中防风效果的数值模拟研究

在冬奥会一些比赛项目中,运动员完成动作时跳跃高度大,空中动作多,滞空时间长,受风速的影响较大。在风速较高情况下,运动员的动作容易变形,可能影响最终的比赛成绩甚至导致运动员受伤,并且赛场也可能出现被大风损坏的情况。应用CFD数值模拟方法,以冬奥会U型竞技场地以及周围一定区域内流场特性为研究对象,研究了挡风墙与空气幕对墙后流场特性的影响以及不同墙高和不同空气幕射流角度下对墙后流场特性的影响。模拟结果表明,挡风墙和空气幕组合使用可以为U型场地提供一个较大的低风速区域,当空气幕射流角度一定时,墙高越大,U型场地上方剪切侧层高度越大,墙后庇护距离越远。当墙高一定时,空气幕射流角度在50°~60°之间对风速的折减效果最好。同时采用空气幕作为防风措施,可以把防风网高度从15 m左右显著减少到2 m。

基于CEEMD和统计参数的斜拉桥损伤识别方法研究

为解决仅使用互补集成经验模态分解(complementary ensemble empirical mode decomposition,CEEMD)方法的斜拉桥信号分解存在含噪固有模态函数(intrinsic mode function,IMF)分量且不能进行损伤定量的问题,提出了一种基于CEEMD与统计参数方法相结合的斜拉桥损伤识别方法。该方法基于CEEMD方法对斜拉桥动力响应信号进行自适应性分解,确定适用的白噪声幅值标准差并推导CEEMD方法的集成次数,得到各阶IMF分量;采用欧氏距离对分解的IMF分量进行谱系聚类分析以避免模态混叠现象;采用峰度统计参数的有效权重峰度指标方法滤除含噪IMF分量,提取有效IMF分量并重构为有效IMF分量和;利用变异系数统计参数、二阶中心差分法和泰勒展开式推导损伤定位指标,根据四阶统计矩峰度统计参数推导损伤定量指标。用所提方法对某斜拉桥进行损伤识别研究,结果表明:仿真分析的损伤定位识别精度为100%,损伤定量最大误差为1.80%;在高斯白噪声干扰下,损伤定位不受影响,损伤定量最大误差为1.88%;进行实桥的损伤识别,结果表明实桥主梁无损伤。

安装肋条斜拉索的涡激振动和气动力特性研究

以安装肋条斜拉索为研究对象,通过风洞试验系统研究肋条的安装方式(通长安装和间断交错安装)、尺寸和数量对斜拉索涡激振动和气动力的影响,并分析涡激振动的抑制机理.结果表明:和标准斜拉索相比,安装肋条斜拉索能有效抑制涡激振动,且间断交错安装方式的抑振效果优于通长安装方式,肋条数量为8根的控制效果优于6根和12根;增加肋条宽度和厚度都会减小涡激振动振幅;肋条斜拉索的脉动升力系数显著小于标准斜拉索,且功率谱尖峰幅值降低或不存在显著尖峰,表明间断交错肋条可以降低卡门涡脱落强度甚至完全抑制;对于气动力,在试验雷诺数范围内,安装肋条后平均气动力系数无明显雷诺数效应;相比于标准斜拉索,肋条为通长安装时均会增加斜拉索的平均阻力系数,而采用间断交错安装时,不同肋条数量、尺寸和风攻角对斜拉索的增阻减阻情况不同.当采用8根尺寸为20 mm×15mm的肋条间断交错安装时,在所有风攻角下都有良好的抑振效果,最大涡振振幅减小率可达到96.79%,且平均阻力系数均稳定在1.13附近,平均升力系数均稳定在0附近.

ECC全包裹普通混凝土复合试件的力学性能

为综合利用工程用水泥基复合材料(ECC)在力学性能上和普通混凝土在成本上的优势,本工作提出了一种制备ECC全包裹普通混凝土复合试件的方法,通过进行抗压、抗拉及抗弯等试验系统研究了其基本力学性能,并采用数值分析方法对配筋复合梁进行了正截面受弯性能研究。结果表明:在复合试件受力破坏时,ECC和混凝土界面未出现滑移,两种材料黏结可靠实现了协同受力;相对普通混凝土试件而言,复合试件的抗压强度、抗拉强度及抗弯强度均有所提升,尤其是抗弯强度的提升最为显著,对于截面尺寸为100 mm×100 mm的梁,当ECC厚度分别为10 mm和15 mm时,抗弯强度可提高27.4%和57.1%;复合试件具有良好的延性变形能力,破坏后可保持一定的完整性,整体具备高韧性特征;与普通钢筋混凝土梁相比,配筋复合梁有效利用了ECC材料的性能优势,显著提升了配筋梁的承载和变形能力。

线形布置双矩形柱的平均气动力特性试验研究

为研究线形布置双矩形柱的平均气动力特性,采用刚性模型测压风洞试验测试并分析了宽高比为1∶4的双矩形柱在不同风向角和不同间距比下的平均阻力系数和平均升力系数,并与单矩形柱的试验结果进行了对比分析。在此基础上,通过分析平均风压分布进一步揭示了线形布置双矩形柱平均气动力系数的干扰机理。风向角α的变化范围为0°~90°,间距比P/B(双矩形柱的中心距与矩形柱宽度之比)的变化范围为1.2~8.0。研究结果表明:双矩形柱的平均阻力系数可分为0°≤α≤30°和30°<α≤90°两类;上游矩形柱的平均升力系数可分为0°≤α≤75°和75°<α≤90°两类;下游矩形柱的平均升力系数可分为0°≤α≤20°和20°<α≤90°两类。平均气动力系数的放大效应主要体现在上游矩形柱,平均阻力系数最大为单矩形柱的1.5倍,平均升力系数最大为单矩形柱的2.1倍。