大跨度双幅非对称平行主梁涡激振动干扰效应研究

在双幅式桥梁的建设中,公路与铁路同层并排布置的大跨双幅非对称主梁属于较特殊的设计。由于公路桥与铁路桥的动力特性不一致、主梁尾流特性差异较大以及非对称双梁间存在特殊且显著的气动干扰,使得非对称双幅主梁的涡激振动特性更为复杂。为系统探究干扰效应对主梁涡振性能的影响,以一座大跨度公铁两用双幅桥为研究背景,开展了双幅主梁涡激振动风洞试验与流固耦合数值模拟,其中公路梁为Π型叠合梁,铁路梁为流线型箱梁。研究结果表明:公路梁位于迎风侧时出现了较大幅值的竖弯和扭转振动,且风速区间与结构振动频率具有典型涡振“锁定”特征,而位于背风侧时,振动现象基本消失;铁路梁位于迎风侧时未见明显振动现象,而位于背风侧时,试验观察到了大幅振动,且振幅具有迅速上升又迅速下落的特点,无明显“锁定”区间。数值流场表明,公路位于不同位置处(迎、背风侧)时,主梁附近涡结构的尺度与分布均有明显不同。当位于迎风侧时,下桥面腔内大尺度漩涡的存在以及涡结构的周期性变化是位于迎风侧时产生涡振的主要原因;当位于背风侧时,受干扰效应影响,下桥面腔内漩涡尺度减小,升力振荡频率改变,涡振锁定现象消失。铁路附近流场及压力分布表明:当位于迎风侧时,主梁附近流场稳定,自激升力近似为直流力;当位于背风侧时,受公路尾流的干扰,铁路表面存在较大面积的负压区,公路尾流的脉动导致了铁路气动升力的振荡,因而产生了大幅振动。研究了双幅非对称平行主梁间气动干扰效应对涡振性能的影响,揭示了涡振及气动干扰机理,为类似桥梁的工程设计提供了参考依据。

大跨协作体系桥梁吊跨比对主梁涡振性能的影响

为研究斜拉-悬索协作体系中不同吊跨比对主梁涡振性能的影响,以某斜拉-悬索协作体系桥梁为工程背景,首先,开展了节段模型风洞试验,采用增长共振法获取桥梁断面涡激振动过程中的发展时程与稳态振幅;其次,基于考虑跨向振幅依存性的非线性涡激力模型,对节段模型振动位移时程进行希尔伯特变换识别得到主梁截面的气动阻尼随无量纲振幅变化的关系曲线;最后,计算了8种不同吊跨比备选方案的主梁涡振振幅,明确了大桥从斜拉体系逐渐过渡到悬索体系时主梁涡振的变化规律,提出了一种综合考虑涡振幅值和跨向影响范围的辅助性指标对结果进行评价和对比。结果表明:随着吊跨比增加,基频降低,对应的1阶竖弯模态振型不断变宽;随着吊跨比的增加,跨中涡振幅值不断减小,不同吊跨比下跨中涡振幅值差异约11.1%,同时主梁起振风速有所下降;结合主梁涡振幅值指标η^(*)和主梁加速度指标a^(*)对不同吊跨比下大桥的涡振程度进行综合比较,发现随着吊跨比的增加,虽然跨中涡振幅值不断减小,但主梁的涡振影响范围不断加宽,主梁整体涡振程度显著增加,不同吊跨比下η^(*)差异约59.5%。吊跨比对主梁平均加速度a^(*)影响有限。

基于台风期实测风浪联合分布的跨海桥梁动力响应研究

台风在近岸登陆时通常带来强风、巨浪等极端海洋环境,而风浪作为跨海桥梁的主要环境荷载,其极端性、复杂性给桥梁的安全运营带来巨大挑战。为深入了解极端台风风浪环境下跨海桥梁动力响应特点,基于台风期间桥址区实测风浪数据,构建合理的风速和有效波高边缘分布模型及其Copula联合概率分布模型;以某跨海桥梁为例,基于谱分解与模态叠加法在频域下计算桥梁在不同风浪要素组合下的极端动力响应,其中,输入的脉动风谱为Von Karmen谱,波浪谱为P-M谱;构建结构响应面,结合风速和有效波高联合累积分布的环境等值线,对跨海桥梁在极端风浪环境下的结构动力响应进行分析。结果表明:台风“杜鹃”期间,桥址区最大风速达到26.1 m/s,最大有效波高达到3.15 m,风速和有效波高的最优Copula联合概率分布模型为Clayton模型;台风“杜鹃”期间,在风速和有效波高累积概率为0.98的情况下,桥梁跨中最大竖向位移的均方根为2.72 cm;塔顶最大横向位移的均方根为1.18 cm;桩基最大横向内力的均方根为193 kN;主梁位移响应主要受风荷载控制,塔顶横向位移响应受风荷载和波浪荷载的共同控制,桩基横向内力响应主要受波浪荷载控制。研究方法和结论可为跨海桥梁设计和运维提供参考。

海洋桥梁施工围堰的波浪压力实测与数值模拟

为研究海洋桥梁施工围堰在波浪作用下波浪压力的分布规律,通过现场实测及数值模拟的方法,对海洋桥梁施工过程中使用的大尺度钢围堰表面波浪压力进行了研究.基于三维绕射理论,使用代表波法,对实测有效波高进行规则波模拟,确定了波压力峰值沿围堰表面的分布规律以及随水深的变化规律,并对围堰表面的波浪动压力峰值进行了分析,并与实测值进行了对比.结果表明:三维绕射理论能合理地模拟围堰表面波压力分布;在绕射效应的影响下,波浪总压力、波浪动压力均呈现出迎浪侧大、背浪侧小的特点,波浪动压最大增幅可达125%;实测总压力随水深增加而增加,波浪动压力峰值随水深增加而减小.

山区Y形河口附近桥址区地形风特性数值模拟研究

为研究在山区Y形河口影响下桥址区的桥梁风载特性,以山区峡谷大跨度悬索桥桥址区真实地形为工程背景,应用CFD(computational fluid dynamics)的方法,建立了桥址区复杂地形区域风场数值模型.通过36个工况的分组对比分析,探讨了山区Y形河口对主梁的平均风速、风攻角、风剖面以及风速放大系数在不同来流方向下的影响规律,并分析了河口处河道的导流与山体的绕流作用.研究结果表明:不同于普通深切峡谷地形风特性,在Y形河口影响下,桥址区附近的平均风速最大增幅达24 m/s,平均风攻角主要表现为负攻角,出现了最高达1.13的风速放大系数,且河道的导流及山体的绕流作用会导致主梁风速分布不均匀.

大跨钢桁拱桥局部杆件动力特性及涡振发生风速的影响因素研究

大跨钢桁拱桥的部分杆件较为细长,对风的作用较为敏感。为考察大跨钢桁拱桥中局部杆件的涡振发生风速,以沿海某大跨度钢桁拱桥为工程背景,基于有限元和计算流体动力学的方法,研究了典型细长杆件在全桥约束下的自振频率、截面气动特性与涡振发生风速。基于有限元方法,提出考虑了全桥约束、结构内力及节点板长度的大跨度钢桁拱桥"零密度"建模方法,对局部杆件的自振频率进行求解。基于计算流体动力学方法,对杆件截面的气动参数进行了计算,并对杆件涡振发生风速进行了分析与讨论。研究表明,使用"零密度"法建模能合理反应局部杆件在全桥约束下的动力特性,杆件约束条件、结构内力、节点板长度均会对自振频率和涡振发生风速产生明显影响,以往使用杆端固结等简单约束条件可能偏危险地高估了涡振发生风速。

设置分段式声屏障桥梁的涡振幅值反演方法

大跨桥梁的涡激共振常采用节段模型风洞试验进行测量,但节段模型试验建立在二维理论上,当桥梁由于分段式声屏障导致沿跨向存在多种气动外形时,涡振响应难以通过节段试验直接测量.本文基于线性涡激力模型提出考虑多气动外形影响的节段-实桥涡振幅值反演方法.首先,分别对带屏障与无屏障段截面进行节段模型风洞试验;然后,通过ANSYS谐响应分析,反演全跨布置与不布置屏障两种工况的实桥涡振幅值,获得对应的涡激荷载幅值;最后,根据声屏障实际布置位置分段施加涡激荷载,得到设置分段式声屏障桥梁的实桥涡振响应,并基于本文方法对不同声屏障布置方案进行了参数分析与讨论.试验结果表明:全封闭声屏障会显著降低主梁抗风性能,屏障的分段布置对整体涡振影响较大;本文方法可通过节段模型试验结果直接估算多气动外形桥梁的全桥涡振响应,声屏障布置应在满足降噪条件下尽量布置于边跨,若布置长度超过桥塔位置,须尽量缩短布置长度以减小涡振响应.

桥涵水文2020年度研究进展

桥涵水文主要是依据河流和水文环境等各项因素进行桥梁设计,是桥位环境设计的一项重要基础工作。通过梳理近年来桥涵水文的发展状况,从桥涵水文中的一些关键问题,如桥涵水文研究方法、设计洪水流量、桥梁基础冲刷的成因、影响因素和桥梁墩台冲刷深度的计算等方面阐述桥梁水文的发展成就,对当前的研究难点和未来的研究热点进行了简要的概括。

三线合一、三塔悬索桥两设计方案静风稳定性对比研究

以某公铁两用三线合一、三塔悬索桥为研究对象,运用ANSYS软件分别建立该公铁两用桥的2个设计方案(钢箱桁和钢桁)的全桥有限元模型和等效单梁有限元模型,通过节段模型风洞试验得到这2个设计方案的静力三分力系数曲线;在同时考虑风荷载非线性和结构几何非线性影响的情况下,采用风速增量与内外双重迭代结合的方法,进行该桥2个设计方案的静风稳定非线性全过程对比分析,研究其静风稳定性能。结果表明:建立的三线合一、三塔悬索桥等效单梁有限元模型是可行的;该桥2个设计方案的自振频率均较低,易发生振动,其静风失稳形态为横向、竖向和扭转的空间变形失稳;钢箱桁方案的静风失稳临界风速较钢桁方案的大,而同一风速下钢箱桁方案的桥梁变形比钢桁方案小;不同初始攻角条件下,桥梁静风失稳形态除可能是侧向对称失稳外,还可能是双跨反对称竖向失稳,这与升力系数、升力矩系数密切相关。

台风“玛莉亚”风场WRF模拟及最大风速半径的非对称特性

台风具有极强的破坏性,准确重现台风风场是保证台风影响区结构安全的关键。最大风速半径作为台风场计算的关键参数之一,研究其分布特性十分重要。以对我国产生严重影响的1808号超强台风“玛莉亚”为例,借助中尺度数值预报模式WRF,开展了该台风期间风场的精细化模拟。为保证模拟风场的准确性,共设置了7种参数化方案组合进行对比。利用最优的模拟结果对风场的分布特点进行研究,分析了地形变化对台风结构的影响。搜索出台风各方向的最大风速半径,并引入工程中常用的Holland气压模型及参数风场中的梯度风速来说明最大风速半径非对称性的影响。研究表明:不同微物理方案对台风“玛莉亚”路径模拟的影响很小,但对海面最低气压有一定影响,采用Lin微物理方案、RRTM长波辐射方案、Dudhia短波辐射方案,模拟效果较好;台风“玛莉亚”期间风场受下垫面地形变化影响较大,当地形由海面转为陆地时,风速逐渐下降;最大风速半径具有较强非对称性,忽略其非对称性会影响径向气压和风速的分布。

宽幅Π型主梁涡振机理及优化措施研究

该研究以某宽幅跨江大桥Π型主梁为例,通过风洞试验和数值模拟系统地研究了该桥面的涡振(vortex-induced vibration,VIV)性能及控制措施。首先,对该桥面节段模型进行风洞试验测试,试验结果表明,该桥面原始设计方案气动外形较差,在常遇风速下会发生较大幅值的涡激振动,振动幅值超过规范所限定的最大幅值;随后,开展了5种典型的气动措施研究,并通过风洞试验对其涡振控制性能进行测试;然后,使用数值模拟对该断面的涡振与抑振机理进行研究。对比分析5种措施的试验结果,得出4点主要结论:(1)风嘴越向下偏心,抑振效果越好;(2)大尺寸风嘴涡振控制性能优于小尺寸风嘴;(3)风嘴边缘设有水平板有利于气流的提前分离,可提升抑振性能;(4)倒“L”形裙板的扭转涡振控制效果优于风嘴。基于以上试验结论,选取原始断面与控制效果较好的措施进行计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟,旨在探究Π型梁涡振的诱发机理及控制机理。由模拟结果分析得到,Π型梁涡振的主要诱因是由于气流在桥面上游角点处分离形成剪切层,随后在箱内形成与桥面尺寸相当的大尺度漩涡所引起的。涡振的控制机理在于通过安装气动措施,整流分离后的气流,削弱剪切层能量,进而提升Π型梁的涡振性能。该研究对Π型梁涡振性能优化具有一定的指导意义,并提出了几种有效的抑振措施,为类似桥面的工程设计提供了依据。

跨海桥梁大尺度基础波浪荷载计算方法对比研究

波浪荷载是跨海桥梁基础的主要环境荷载之一。为了探究大尺度桥梁基础上各类波浪荷载计算方法的差异,分别采用了当前研究中较常用的Morison方程、规范、基于边界元法的三维绕射理论和基于Navier‐Stokes方程的CFD方法计算了某跨海桥梁大尺度圆端型沉井基础在规则波作用下的波浪荷载,研究了不同结构相对尺度对各方法计算结果的影响,并重点比较分析了后两种数值方法的三维流场分布,三维压力场分布,以及非线性二阶力效应的影响。结果表明,在结构相对尺度为0.2左右时,上述方法的计算结果接近,随着结构相对尺度的增加,边界元与CFD方法依然吻合较好,规范方法给出了较为保守的波浪荷载,Morison方程可能高估了波浪拖曳力的贡献。边界元与CFD方法计算得到的速度场与压力场结果整体趋势一致,但在沉井前端自由液面与物面,沉井侧面的波谷等局部区域会产生明显差异,这可能是由于二者考虑绕射效应与黏性效应的理论不同。在边界元方法中考虑非线性二阶力效应会使其波浪荷载结果小幅度增大,并在频谱中增加差频二阶力及和频二阶力成分,考虑非线性二阶力效应后,边界元与CFD方法的频谱曲线更加吻合,边界元方法能更精确地计算波浪荷载。边界元与CFD方法均能合理地给出大尺度结构物波浪荷载结果,研究结论可为跨海桥梁工程波浪荷载的准确计算提供了依据。

全封闭式屏障对大跨双层公铁两用悬索桥抗风性能的影响研究

全封闭式屏障相较普通墙式透孔式屏障具有更好的隔音与防风性能,近年在铁路与轨道桥梁中应用广泛。然而,全封闭式屏障体积较大,透风率较低,可能显著影响主梁气动外形与抗风性能。因此,为评价全封闭式屏障对大跨桥梁抗风性能的影响,本研究以某在建公铁两用双层悬索桥为工程背景,采用风洞试验与数值计算方法,研究全封闭式屏障对主梁气动力系数、涡激振动、颤振稳定性与抖振响应等关键抗风性能的影响。研究结果表明:全封闭式屏障对双层桁架梁的气动力参数影响较明显,阻力与升力系数增加,力矩系数减小;设置全封闭式屏障可能诱发主梁的涡激振动,但对颤振稳定性未观察到显著影响;设计风速下,全封闭式屏障会增加主梁静风位移,并显著改变主梁抖振响应。

基于时域边界元的跨海桥梁下部结构波浪荷载计算方法

为解决当前波浪荷载数值模拟计算量大、效率低的问题,提出桥梁下部结构波浪荷载的时域边界元计算方法。该方法通过选取合适的格林函数,将计算域由三维流域降维为水面和结构物面,采用四边形单元对水面和结构物面进行离散,建立边界元积分方程,并在时域下逐步求解结构表面的波压力,随后对波压力进行积分,计算结构波浪力。为验证该方法的正确性,将该方法计算结果与Maccamy圆柱波浪力理论解进行比较,并以平潭海峡公铁大桥为背景,对该桥非通航孔桥下部结构的施工钢围堰进行波浪荷载模拟,与现场波压力监测数据进行对比。结果表明:波浪荷载时域边界元计算方法在保证精度的同时,计算效率较高;该方法在实际工程中有较好的适用性;绕射效应对围堰的波压力大小与分布规律有显著影响,在设计阶段应予以充分考虑。

地表粗糙度对山区峡谷地形桥址区风场影响研究

为研究地表粗糙度对山区峡谷地形桥址区风环境的影响,通过计算流体力学数值模拟的方法,对不同粗糙度下理想峡谷与真实峡谷模型中主梁跨中位置的风剖面进行了研究。通过理想模型的计算分析,确定了不同风向角下主梁跨中风剖面随粗糙度变化的一般规律,结合对峡谷内流场特点的分析,揭示了粗糙度对峡谷内风速造成影响的原因,并在真实地形模型中进行了验证,根据地表种类细化了粗糙度设置方案。研究表明,在峡谷地形条件下,粗糙度对风速的影响与常规地形有明显差异,在主梁高度处,随着粗糙度的增加,主梁跨中风速可能会有不同程度的增加。研究结论为山区峡谷地形处桥梁设计风速确定提供了依据。