大跨度公铁双层斜拉桥主梁涡激共振机理与控制

以拟建的某主跨808 m公铁双层斜拉桥为工程依托,采用节段模型风洞试验研究不同攻角下双层桁架梁断面的涡振性能及5种气动控制措施的抑振效果,结合计算流体动力学(CFD)静态绕流模拟,对比分析双层桁架梁断面的涡振机理及控制方法.研究表明:主梁断面原设计方案在+3°和0°风攻角下存在明显的竖向和扭转涡振现象,且振幅超过规范允许值;间隔封闭上层桥面栏杆或增设抑流板可有效抑制主梁扭转涡振,但竖向涡振振幅仍不满足规范要求;上弦杆外侧增设风嘴可有效抑制主梁竖向和扭转涡振,而下弦杆外侧增设风嘴对主梁涡振抑振效果有限.气流经主梁原设计断面上层桥面分离后,在其上下表面形成周期性脱落的大尺度旋涡,并在上层桥面后部再附,这是主梁发生竖向涡振的主要诱因;上弦杆外侧增设风嘴可引导气流平稳通过上层桥面,消除了周期性的旋涡脱落,并在其上表面形成一段狭长“回流区”,从而有效抑制了涡振的发生.

大跨斜拉桥双层桁架主梁施工状态的阻力系数

针对规范中对大跨径桁架桥的双层主梁阻力系数在取值上的局限,提出一种主梁阻力系数计算方法,以施工阶段节段模型的风洞试验结果为基础,对双层桁架主梁进行模型简化后,使用CFD计算得出其三分力系数.采用不同迎风面特征尺寸,桁架片数以及桁架间距,分析了迎风面特征尺寸对主梁的阻力系数的影响.讨论了桁架间距以及片数不同对主梁的阻力系数的影响趋势.结果表明:迎风面特征高度与特征宽度对主梁阻力系数影响的变化规律并不相同,对此提出以桁架纵高比为变量的双层桁架桥梁主梁的阻力系数拟合公式;当桁架间距较小时,桁架片数对主梁阻力系数无影响,但当桁架间距与桁架高度比值达到3时,桁架片数的变化会对主梁的阻力系数产生较大的影响.

大跨度斜拉桥模态参数长期追踪及其变异性分析

为了丰富大跨度斜拉桥模态参数的实测数据库,依托苏通大桥结构健康监测系统采集的数据,采用所建立的模态自动识别和追踪方法,获取了2010年期间该桥的模态参数值,并据此分析了在温度和风速作用下桥梁模态参数的变异性。研究结果表明,大桥主梁模态频率的变化受温度和风速共同影响,随着温度的升高而降低,随着风速的升高而增加。大桥主梁模态阻尼比的变异性显著大于模态频率,低风速下主梁一阶侧弯阻尼比在0.5%~15%之间波动,风速大于9 m/s时逐渐降低并稳定在2%左右。大桥主梁前四阶竖弯阻尼比受气动阻尼的影响较大,在风速较小时随着风速的增加略有增加。研究结果可为大桥的服役性能评估与运营管理提供参考。

大跨度钢-混结合梁悬索桥涡激振动控制指标体系研究

为保证已建桥梁发生涡激振动后桥梁结构的安全以及桥上行车和行人安全,提出综合考虑人员舒适性、结构受力和停车线形三方面的大跨度钢-混结合梁悬索桥涡激振动控制指标体系。该体系包含9项指标,分别为驾乘人员舒适度、驾乘人员晕动症、行人舒适度(狄克曼指标)、加劲梁强度、加劲梁应力、加劲梁挠度、桥面纵坡、竖曲线半径和停车视距。以武汉鹦鹉洲长江大桥为背景,分别计算了“限速”和“封桥”2个交通管制措施下9项指标对应的涡激振动振幅限值。在此基础上,将9项指标对应的涡激振动振幅限值的最小值作为涡激振动限值建议取值。结果表明:当该桥发生低阶竖弯涡激振动(VS1、VAS1)时,涡激振动的控制因素为加劲梁挠度指标;当大桥发生VAS2模态的竖弯涡激振动时,涡激振动由驾乘人员晕动症指标和行人舒适度指标共同控制;当大桥发生高阶竖弯涡激振动(VAS3、VAS4)时,涡激振动由行人舒适度指标控制。涡激振动控制指标体系及限值标准的计算框架可适用于不同桥型涡激振动限值的计算。

采用改进多目标粒子群算法的斜拉桥阻尼器参数优化

为克服大跨度斜拉桥黏滞阻尼器优化设计效率低、多个相互制约的减震控制目标的问题难以权衡,基于遗传算法的“变异”方法,提出了改进多目标粒子群算法来进行阻尼器参数优化设计。建立大跨度斜拉桥的有限元模型,开展了全桥地震响应分析,根据抗震需求在桥梁纵向设置黏滞阻尼器;分别建立了塔底弯矩、阻尼力和梁端位移的减震响应与阻尼器参数之间的响应面数学模型;以减震响应面模型为研究对象,通过该算法进行阻尼器参数全局自动寻优分析,确定了阻尼器的最优参数,并与采用参数敏感性分析方法确定的一组阻尼参数进行对比分析。研究结果表明:该优化方法具有计算精度好、优化效率高和更好地权衡多个相互制约的减震控制目标的优点;通过优化算法获得的阻尼器参数组合相比采用参数敏感性分析方法获得的阻尼参数组合的减震响应,塔底弯矩增大1.73%,阻尼力减小5.97%,梁端位移减小1.66%;在无需多次有限元试算的基础上确定了更高精度的阻尼器优化参数组合,在提高减震效果的同时大大提升了计算效率。

边箱式π型断面涡振性能及导流板措施参数研究

π型断面因构造简单与受力性能好,被广泛应用于桥梁建设中,但其抗风性能差,易产生涡激振动问题.本文以边箱式π型断面桥梁为研究对象,采用宽高比10∶1的π型断面刚体节段模型进行同步测振测压试验,并且通过计算流体力学方法加以对比验证,研究π型断面涡振性能与导流板抑振机理.试验结果表明:边箱式π型断面在0°、±3°风攻角下发生显著涡激振动,通过在断面两侧加设特定形式及尺寸参数的导流板措施可抑制断面竖弯及扭转涡振.其中,倒L型导流板措施气动优化效果显著,可有效消除涡振振幅,而水平导流板措施的抑振效果有限,相较于竖弯涡振,扭转涡振对于水平导流板尺寸参数更为敏感.通过对比数值模拟结果与表面气动压力分布,表明倒L型导流板措施能够优化断面气动外形,削弱断面上下表面旋涡脱落尺度和能量,同时降低断面所受的周期性气动力,从而有效抑制断面涡振.

基于CFD与风洞试验的边主梁涡振气动措施

为能够快捷且经济地完成开口类钝体桥梁断面涡振制振气动措施的选型,以一座边主梁叠合梁斜拉桥为背景,采用“CFD(computation fluid dynamics)数值模拟选型+风洞试验验证”的思路对其涡振制振气动措施选型进行研究.该桥原设计主梁断面在常遇风速下存在显著涡激振动,为完成气动措施的初步选型,采用CFD数值计算对原设计断面的流场进行模拟,通过研究原设计断面的旋涡脱落状态确定主要旋涡抑制对象,进而有针对性地模拟了3种气动措施(下中央稳定板、导流板与风嘴)对主要脱落旋涡的抑制作用,通过将各断面旋涡脱落状态与三分力系数进行对比分析,得到各断面涡振性能的相对优劣关系,并最终选取风嘴与下中央稳定板结合而成的组合气动措施进行风洞验证试验.试验结果表明:该组合气动措施能够有效抑制梁体在各风攻角下的涡激振动,且在+5°风攻角下,通过风洞试验得到的导流板、下中央稳定板、风嘴组合气动3种措施对原设计断面涡振振幅的减小作用依此递增,分别为2.7%、27.7%与87.4%,制振能力高低关系与数值模拟结果相一致;本次数值模拟结果符合预期要求,未来可针对不同类型桥梁断面进一步扩展数值模拟与风洞试验结果对比的数据集,以期更为准确、快捷地完成气动措施的选型.

基于多视角信息融合的公路桥梁车辆荷载时空位置识别

针对现有方法在复杂交通场景下难以准确获取桥上车辆荷载时空分布的问题,提出了一种基于多视角信息融合的车辆荷载时空位置识别方法.首先,开发了vadYOLO-StrongSORT模型,可在单视角下同时检测和跟踪车辆;然后,在图像标定和跨视角车辆匹配基础上,采用自适应加权最小二乘法进行多视角信息融合以修正车辆轨迹;最后,结合车辆轨迹和车轴配置,重构车轴荷载的时空位置分布.通过模型试验评估了所提方法在典型交通场景下的性能.结果表明:相较于基于单视角的车辆位置识别方法,多视角信息融合方法在跟踪稳定性、定位精度和抗遮挡性能上有显著提升;变道场景下,所提方法的最高平均定位误差低于2.0 cm,明显优于单视角方法的17.0 cm;多车遮挡场景下,所提方法的车辆捕获率可达100%,而单视角方法最高仅为72.5%;同时,与其他检测跟踪模型相比,vadYOLO-StrongSORT在试验中取得了最高的识别精度.

开口断面钢-混结合梁悬索桥颤振特性及颤振形态研究

为准确评估开口断面双边箱钢-混结合梁悬索桥颤振性能和多模态参与效应,以典型的钢-混结合梁悬索桥——怀化洞庭溪沅水特大桥为背景,开展风洞模型试验及数值分析。制作加劲梁节段缩尺模型并进行风洞试验,测试原桥梁结构的颤振性能,分析调整阻尼比、采用气动措施及结构措施对结构颤振特性的影响,采用三维和二维两种颤振分析方法分析设置中央扣结构的颤振模态及多模态参与效应。结果表明:该钢-混结合梁悬索桥存在较明显的颤振起振点,且颤振是以扭转为主的弯扭耦合振动,同时其扭转和竖向振动存在较大的相位差(相差近180°);节段模型风洞试验与三维和二维颤振分析一致得到设置中央扣后,频率较高的正对称扭转模态先于反对称模态发生颤振,且三维与二维颤振分析结果相差不大。

斜拉桥面内振动的理论建模与特征值分析

本文建立了斜拉桥的精细化面内动力学模型,并开展了相应的自振特性分析.首先利用Hamilton变分原理推导了斜拉桥的运动方程,利用边界条件确定了斜拉桥线性化模型的频率方程.然后以双塔三跨斜拉桥为例开展数值分析,通过对比有限元结果验证了数值方法的正确性.同时引入局部化因子定量说明斜拉桥固有模态的特性.最后讨论了不同结构参数、索梁相互作用和结构体系对斜拉桥自振特性的影响.结果表明当系统的固有频率接近纯索频率时,斜拉桥的固有模态将呈现局部特性.同时索梁相互作用明显影响低阶非局部模态,相反可以忽略对高阶固有频率的影响.

带挑臂PK箱梁涡振性能及优化措施机理研究

为研究带挑臂PK箱梁的涡振性能及气动优化措施,通过节段模型风洞试验研究了PK箱梁在0°、±3°风攻角下的涡振性能,并测试了人行道高度、封闭挑臂底部、栏杆透风率改变、不同倾角抑流板等气动措施对PK箱梁气动稳定性的影响,研究表明:主梁在0°、+3°风攻角下出现强烈的竖向涡激共振,并出现多个竖向涡振区间,同时在高风速下主梁出现了明显的扭转涡振;抬高人行道高度能降低各攻角下主梁的竖弯涡振响应,同时高风速下的扭转涡振得到极大程度的改善;通过封闭栏杆来改变栏杆透风率的研究发现,竖向间隔封闭人行道外侧护栏能破坏涡激气动力在展向的相关性,将主梁涡振峰值响应降低至规范限值的55.8%;0.25 m宽抑流板能有效改善主梁气动稳定性,抑流板倾角变化在20°~75°之间时,其均能完全抑制主梁涡振响应;气流在迎风侧人行道护栏处发生分离,在上表面卷起形成规律的大尺度旋涡,从而造成主梁剧烈的涡激振动,抑流板明显破坏了挑臂附近旋涡的形成,无法向下游发展形成规律的大尺度旋涡,从而能有效抑制主梁涡振。

槽形钢箱梁涡振性能及抑振措施试验研究

为提高槽形钢箱梁桥的抗风性能,对槽形钢箱梁的涡振性能及抑振措施进行试验研究。以某人行景观桥槽形钢箱梁为背景,通过主梁节段模型风洞试验,研究+3°、0°、-3°风攻角下均匀流与紊流风场中槽形钢箱梁的涡振性能,分析交替封闭栏杆、将栏杆楔形扶手改为圆形扶手、提高阻尼比等措施的抑振效果。结果表明:原槽形钢箱梁断面涡振性能不满足规范要求,均匀流风场中,3个风攻角下均出现了超限的竖弯涡振,+3°和-3°风攻角下出现了不同程度的扭转涡振,最不利风攻角为-3°;紊流风场中,最不利风攻角下原断面竖弯涡振振幅降低了23%,未见明显扭转涡振;楔形扶手栏杆交替封闭使结构竖弯涡振振幅增大,主梁涡振性能降低;单独改变栏杆扶手形状为圆形对主梁涡振性能影响不大,在此基础上交替封闭栏杆能够有效抑制主梁涡振;提高结构阻尼比能有效抑制主梁涡振,阻尼比为7‰时,主梁竖弯涡振振幅可降至规范限值的一半左右。

大跨度桥梁超低频调谐液体质量阻尼器研发及应用

大跨度桥梁在运营过程中易发生较为明显的超低频振动问题,采用调谐质量阻尼器(TMD)进行控制时,由于箱梁内部空间有限,常规TMD在结构上无法满足要求。基于此,提出一种基于浮力和流固耦合作用的超低频调谐液体质量阻尼器(TLMD)。为研究TLMD对结构的阻尼减振效果,进行模型试验,分析安装TLMD前、后主结构加速度幅值和阻尼比;将该新型超低频TLMD在贵州龙里河大桥上进行实桥应用,测试主梁频率特性和阻尼比。模型试验及实桥应用结果表明:TLMD减振技术可实现0.283 Hz乃至更低频率的超低频阻尼减振;采取TLMD控制后,模型试验主结构的阻尼比从0.038%提高至2.2%,主结构的加速度幅值从减振前的0.41 m/s2降低至0.01 m/s2;贵州龙里河大桥超低频TLMD当采用0.31%的质量比时,主梁一阶竖弯模态实测阻尼比从0.20%提高至0.82%,阻尼比提高了3.1倍。超低频TLMD参数稳定、性能可靠,有效降低了阻尼器的安装高度,显著提升了结构阻尼比,增强了桥梁的抗风性能。

简支波形腹板钢箱组合截面与传统截面箱梁桥抗震性能对比分析

为研究波形腹板钢箱-混凝土组合梁桥(CW-SBCCGB)与传统箱梁桥抗震性能的异同,基于截面等效原理,根据某实际工程CW-SBCCGB的单箱截面,等效出波形腹板混凝土箱梁桥(CW-CBGB)和混凝土箱梁桥(CBGB)的单箱截面,再结合动力分析理论和ABAQUS有限元模型对比分析3种截面简支梁桥动力特性和抗震性能的不同。结果表明:3种截面简支梁桥前五阶振型不变,CW-CBGB和CBGB前三阶频率相比于CW-SBCCGB有所下降,但相差不超过1Hz,第四阶及以后频率差异逐渐变大;剪滞效应对CW-SBCCGB和CW-CBGB动力特性影响较大,对CBGB影响较小;在纵桥向+竖桥向和横桥向+竖桥向地震作用下,CW-SBCCGB和CBGB的墩顶位移和跨中位移均大于CW-CBGB结构,CW-SBCCGB主梁跨中截面剪力最小,CW-CBGB跨中截面弯矩最小,说明CW-SBCCGB和CW-CBGB的抗震性能均优于CBGB的抗震性能。

基于混凝土损伤塑性模型的弯曲损伤RC/PC桥梁动力学特性研究

基于混凝土损伤塑性模型,通过数值模拟研究了带有弯曲损伤的RC/PC桥梁动力学特性的退化情况.首先,提出了适用于RC/PC桥梁非线性振动分析的数值模型构建方法.其次,通过RC简支梁受弯破坏试验,将试验结果与数值模拟结果进行比较,验证了数值模型的准确性.最后,基于厦门快速公交系统中某一联三跨PC连续梁桥建立了三维有限元模型,研究其在不同弯曲损伤程度下前三阶频率和振型的变化情况.结果表明,带有弯曲损伤的RC/PC桥梁的动力学特性会随着损伤程度的增加而呈现不同程度的改变.带有混凝土裂缝的桥梁的微幅振动仍然是线性的,然而随着振幅的增大频率开始降低,使振动呈现出非线性.此外,当裂缝闭合时,前三阶自振频率与振型变化不明显,难以用于识别弯曲损伤;当裂缝张开时,前三阶自振频率与振型出现明显变化,可作为损伤检测指标来识别损伤.

考虑模态更新的断索作用下斜拉桥动力响应分析方法

为了考虑斜拉桥拉索断索全过程特征和桥梁结构模态时变特性的影响,反映断索事故中斜拉桥结构动力响应的全过程特征,提出一种考虑断索过程模型和结构模态信息更新的突发断索作用下斜拉桥动力响应分析方法,利用数值模拟主要开展了依托斜拉桥桥例分析典型断索场景下桥梁的动力行为特征和研究断索持时对桥梁动力响应特征的影响规律的工作。结果表明:考虑断索过程特征的模态更新方法较不考虑的情况桥梁结构动力响应峰值增幅近10%,同时整体响应也出现略滞后现象;当不同部位单根主塔拉索断裂时,总结得到了全桥主梁结构动力响应较大类型及峰值位置;发现当断索持时大于结构基本周期时,结构动力放大系数变化较小且幅值接近于1.0;当断索持时为0.01~1.0倍结构基本周期时,随着持时缩短结构响应的动力放大系数变大直至峰值。研究结果可为同类桥型考虑突发断索的设计和事后结构评定提供借鉴和参考。

基于车桥耦合的钢-混凝土组合连续梁桥局部疲劳分析

钢-混凝土组合梁桥在满足使用性能的同时也会发生疲劳损伤,在桥梁设计和使用阶段应保证桥梁不发生疲劳破坏。为研究不同因素对桥梁疲劳损伤的影响,选取一座双工字钢-混凝土组合连续梁桥,采用车桥耦合分析程序对不同的车速、车重、桥面不平整度、桥面板厚度和主梁腹板高度下主梁的疲劳损伤进行分析。首先计算不同影响因素下桥梁的动应力,分析应力幅和等效应力幅个数的变化规律;然后分析应力幅冲击系数随各影响因素的变化规律;最后分析不同影响因素下主梁疲劳细节位置的疲劳损伤。研究结果表明:车重、桥面不平整度和主梁腹板高度对应力幅的影响较大,桥面不平整度对等效应力幅个数和应力幅冲击系数的影响较大;桥面不平整度通过改变应力幅冲击系数以影响应力幅,当桥面不平整度为C级及以下时,应力幅冲击系数偏离规范值;车重、桥面不平整度、主梁腹板高度对主梁疲劳损伤的影响较大,在超载和刚度储备不足的情况下主梁会发生疲劳破坏,应通过限载、及时维修桥面和提高主梁刚度的方法减小主梁的疲劳损伤。

大跨径斜拉桥施工阶段临时抗风措施对比分析

研究目的:大跨径斜拉桥在最大双悬臂施工状态下结构刚度较小,对风荷载引起的结构风致振动响应较为敏感。本文以受沿海台风影响区域的一座主跨316 m斜拉桥为研究对象,根据风洞试验确定主梁的气动三分力系数,对比分析不同风缆布置方案与不同临时墩布置方式对大桥风致响应控制效果的影响。研究结论:(1)增设临时风缆可使主梁竖弯基频提高22.0%~32.5%,对结构自身的扭转基频影响效果不显著;临时风缆对主梁竖向位移和主塔顺桥向位移控制有一定作用,固定位置在主梁最大悬臂长度的80%~90%范围内效果较好;(2)临时墩的抗风减振效果显著优于临时风缆,临时墩的设置使主梁悬臂端竖向位移响应降低了53.5%~65.5%,对主梁悬臂根部的顺桥向弯矩与横桥向弯矩的控制效果较为明显,降幅11.7%~58.8%;(3)在选择桥梁临时抗风措施时,需综合考虑抗风需求、施工条件、施工风险和经济性;(4)本研究成果可为大跨度斜拉桥临时抗风措施的选择提供参考。

大跨PK断面钢箱梁斜拉桥涡振性能及优化措施研究

红莲大桥主桥为主跨580 m的双塔斜拉桥,中跨主梁采用PK断面钢箱梁,该类主梁断面易发生涡振,需对其涡振性能及抑振措施进行研究。基于该桥有限元动力特性分析结果,制作PK断面钢箱梁1∶60缩尺比节段模型进行测振风洞试验,研究桥梁原始设计断面主梁的涡振性能,讨论增加结构阻尼比(增加至0.010和0.027)措施的涡振抑振效果,并对增设稳定板、水平导流板、部分封闭桥面栏杆等不同气动优化措施及组合对主梁涡振性能的影响进行分析。结果表明:原始设计PK断面钢箱梁的涡振振幅明显超过规范限值;增大结构阻尼比虽然可以有效抑制涡振响应,但阻尼比增加至0.027时竖弯涡振振幅仍然显著;在桥面检修栏杆上缘外挑1.6 m宽水平导流板可将涡振振幅降低到可忽略的水平;采用在检修栏杆上缘外挑1.1 m宽水平导流板、优化桥面燃气管道位置、调整防撞护栏下部封闭高度为0.42 m,或移除检修道栏杆底座、错列布置封闭检修道栏杆和防撞护栏等组合措施,虽不足以完全抑制涡振的发生,但可将涡振振幅控制至明显小于规范限值。

导流板倾斜角度对Π型叠合梁涡振性能的影响研究

型叠合梁被广泛应用于大跨度斜拉桥建设中,但该类断面较差的涡振性能严重影响了其应用前景。以某主跨为530 m的Π型叠合梁双塔斜拉桥为工程背景,通过风洞试验对Π型主梁的涡振性能及气动优化措施进行研究。试验结果表明,原设计Π型断面在各风攻角下均存在显著涡激振动,通过在断面工字梁下缘处设置导流板与下中央稳定板可降低梁体的涡振振幅,且导流板倾斜角度的改变对该组合气动措施的制振效果影响显著,其中30°倾角导流板组合气动措施的制振效果最优,可在规范要求阻尼比1.0%下显著抑制甚至消除梁体的涡激振动。通过CFD数值模拟对该组合气动措施的制振机理与导流板倾斜角度的变化对组合气动措施制振性能的影响机理进行了研究,计算结果表明,30°倾角导流板组合气动措施中的迎风侧导流板可显著改善上游断面的气体绕流状态,并配合下中央稳定板削弱Π型断面尾流的卡门涡脱,从而起到抑制主梁涡振的效果,改变导流板倾斜角度会在影响导流板自身附近旋涡生成的同时,影响下中央稳定板对断面下侧旋涡脱落状态的改善作用,从而对该组合气动措施的制振性能产生显著影响。