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.

框桁式墙体抗震性能试验及影响因素研究

为研究新型框桁式墙体抗震能力,设计4片框桁式墙体试件进行拟静力试验,对比分析了墙体试件的破坏形态、滞回曲线、承载力、延性及性能特征点。并应用ABAQUS软件建立墙体的非线性数值模型,考虑了轴压比、混凝土强度、配箍率和配筋率等因素的影响,计算得到了荷载-位移曲线,分析了承载力及延性变化特征。结果表明:各墙体试件破坏过程为,内部桁杆先于外框墙肢发生变形并耗能,而后桁杆与外墙肢的底部相交处形成塑性区并破坏;在桁式杆件中配置角钢、增大混凝土强度、配箍率和纵筋配筋率也可提高试件延性,而配置角钢时,配筋率对承载力的影响不明显,混凝土强度较高时,其延性不再明显提高;增大轴压比可提高试件的承载力,但会使试件的延性降低。研究结果可为框桁式墙体抗震设计提供依据。

曲线钢桁桥人致振动舒适性评价现场试验研究

大跨曲线钢桁梁人行桥竖向、横向和扭转振型耦合强,人致振动舒适度评价和减振控制难度大。以湖南省长沙市浏阳河一主跨为120 m的曲线双层桥面三跨连续钢桁梁桥—汉桥为工程背景,通过理论分析和人群激励现场动力试验,识别桥梁固有模态参数,评价人致振动舒适性,优化设计调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)并评价TMD的减振效果。研究表明:因桥梁第一阶竖弯模态和第一阶扭转模态的阻尼比仅为0.23%和0.3%,人致振动加速度不满足舒适性要求;采用竖向TMD进行竖弯模态和扭转模态的减振控制,减振后的桥梁满足舒适性要求。

中承连续飞燕式钢桁拱桥抗风性能研究

钢桁架拱桥具有构件轻、易于加工、承载力强和运输架设方便的优点,已在公路、铁路设计中得到广泛应用。为了研究大跨度连续中承式钢桁架拱桥抗风性能,指导该类桥梁建造,以长沙市暮坪湘江特大桥为背景,通过桥址风环境分析、结构动力特性仿真分析及风洞试验,获取桥梁结构的抗风性能并检验大桥的抗风稳定性。针对中跨拱肋、中跨主梁及边跨桁架,采用弹簧悬挂二元刚体节段模型,通过风洞试验研究,获取了-12°~+14°不同风攻角下静力风荷载三分力系数,为桥梁风荷载取值提供了依据。同时根据试验结果曲线,中跨主梁、边跨桁梁断面在成桥状态各种风攻角下升力系数斜率均为正,判定主梁及边跨桁架结构均不会发生驰振。结合节段模型弹性悬挂试验,获取主梁结构在成桥阶段及施工阶段最大双悬臂状态,风攻角-3°、0°、3°情况下的竖向位移及扭转角,并依据相似关系将试验风速及所得响应换算至实桥值,以检验主梁的颤振稳定性及涡激共振特性。结果表明,当换算实桥风速高达100 m/s,远高于其颤振检验风速时,主梁均未发生颤振现象,表明该桥在成桥状态下与施工过程中均具有足够的颤振稳定性。在成桥状态或者最大单/双悬臂状态下,桥面设计基准风速34.8 m/s的范围内,各种风攻角情况下均未观察到明显的涡激振动现象。

基于测压风洞试验的钢桁梁上列车二维气动导纳研究

基于节段模型测压方法,建立了列车二维气动导纳的识别方法。在紊流场风洞试验中,获取了0°攻角时钢桁梁上列车抖振力的展向相关性;识别了钢桁梁上列车中车的三维气动导纳,探究了钢桁梁上列车中车三维气动导纳与二维气动导纳的关系。可知,随无量纲折减频率及展向间距的增大,抖振力的展向相关性逐渐减小,列车抖振力展向相干函数可用Jakobsen模型较好地拟合。当k_(1)B/2小于0.3时,二维气动导纳值为1,三维气动导纳会明显低估列车的气动导纳值。当k_(1)B/2大于0.3时,三维气动导纳会明显地高估二维气动导纳函数值,且随着折减频率的增大,气动导纳值减小。最后,给出了列车二维气动导纳函数及相干函数的数学表达式。研究成果可为风-列车-桥梁耦合振动计算分析提供参数。

细长桁架臂卸载反弹动应力分布规律及试验

为研究细长桁架臂在卸载冲击下的动态响应变化规律,提出了基于等效梁振型函数的桁架臂动应力分布计算模型。根据等效梁振型函数,探讨了卸载后桁架臂动应力分布假设,分析了影响桁架臂卸载反弹动响应的相关参数。以装备细长桁架臂的动臂塔机为对象,建立了桁架臂精细化有限元模型和起重机刚柔耦合模型,通过仿真辨识了应力分布模型的关键参数。实施了动臂塔机系列载荷卸载冲击试验,桁架臂上主弦杆的动应力试验值与理论计算结果误差小于7%,表明动应力分布理论模型与实际相符。通过理论模型预测了极限工况下桁架臂上主弦杆动应力分布状态,发现在最大载荷卸载条件下起重臂动应力峰值超过结构承载极限,为卸载条件下起重机关键结构的优化设计提供依据。

均匀流中深水系泊Truss Spar平台涡激运动试验研究

在工程中广泛应用的Truss Spar平台自诞生之初就为涡激运动问题所困扰,对其运动特性及抑制方法的机理性研究始终都在进行。采用截断系泊系统水池模型试验对设计中的Truss Spar平台在均匀流中的涡激运动响应进行了研究,分析了有无侧板平台的运动轨迹以及不同速度及流向角来流对平台运动的平衡位置的影响。在影响平台涡激运动特性的重要因素中,选取折合速度及流向角分别加以研究,分析了幅值在锁定区间中的变化规律,验证了减涡侧板对涡激运动良好的抑制作用,并对"热点"问题进行了探讨。为进一步研究Spar平台的涡激运动特性奠定了基础。

铁路上承式连续钢桁梁桥的静力性能

南昆线(南宁—昆明)八渡4号桥主桥结构形式为2×64 m单线上承式栓焊连续钢桁梁桥,侯月线(侯马—月山)浍河特大桥主桥结构形式为3×64 m单线上承式栓焊连续钢桁梁桥,两座铁路桥梁设计图号均为贰桥0003,设计荷载为中-活载。为了检验该类桥梁的承载能力及整体刚度,分析其检验评价方法,对两座桥梁进行了静载试验,并将静载试验数据、理论计算值与规范限值进行比较。结果表明:两座钢桁梁桥的承载能力及整体竖向刚度满足规范要求,测试支座活动正常,符合现有状态下的使用运营要求,但该图号钢桁梁的杆件承载能力储备及梁体竖向刚度储备不高。

移动式高比刚度桁架四通优化设计研究

针对移动式大口径光管,完成了高比刚度桁架四通的详细优化设计。采用有限元法,分析了32组方钢管对应四通的最大形变、最大应力、一阶模态频率、整体质量、光轴偏移角与壁厚的关系,再结合设计指标成功筛选出了最优方钢管的规格型号。同时采用控制变量法,保证质量相同的情况下将桁架式四通与板式四通进行了对比分析,结果表明桁架式相比板式在光轴偏移角上减小了1.15%,一阶模态频率上提高了89.19%,证明了桁架式结构的优越性。通过振动敲击实验测得桁架式四通的一阶模态频率为60.264 Hz,与仿真获得的63.385 Hz基本一致,证明了理论设计与仿真的准确性。通过长距离实际道路稳定性实验证明了该四通可以完全胜任项目的工程需求。

Truss Spar平台涡激运动拖曳模型试验方法研究

采用拖曳水池模型试验对设计中的Truss Spar平台进行了模型试验,详细对试验内容、试验方法和布置进行了介绍,对试验数据进行了初步处理,得到了研究涡激运动的关键参数,并判断了试验数据的合理性。

剪切流中Cell-Truss Spar平台涡激运动的CFD计算与模型试验研究

目前，Spar平台在离岸深水作业中得到越来越广泛的应用，作为影响Spar平台在某些来流条件下运动响应特性的一种重要现象，涡激运动已成为国际海洋工程界亟待研究的一个新课题。本文采用CFD计算与模型试验相结合的方法，对一座称为“Cell-Truss Spar”的新型Spar平台在剪切流作用下发生涡激运动的现象进行了研究。相对于目前已存在并应用的Spar平台，Cell-Truss Spar平台在结构形式上有其自身的特征，研究中充分考虑了这一特征，对其建立适当的CFD计算模型，得到其涡激运动的特征，模拟了锁定现象的发生过程，分析了锁定现象的发生机理和规律；同时制作了精细的物理模型，测试了一系列的剪切流表面流速，得到了Cell-Truss Spar平台涡激运动的一些关键性参数，并成功地观察到了锁定现象的发生。CFD计算与模型试验相互比较，相互验证，最后对该平台涡激运动响应的特征进行了分析和总结，为进一步的涡激运动抑制研究奠定了基础。

斜撑对方钢管柱-桁架梁节点抗震性能影响试验

为实现施工现场绿色、高效率、高精度的模块化装配式钢结构建筑的建造,分别提出基于柱座式的带斜撑和不带斜撑的装配式方钢管柱-桁架梁节点。共设计4个十字形足尺试件,并对其进行滞回加载试验。分别考察梁破坏和斜撑破坏模态下试件的抗震性能,探究两种破坏模态产生的原因。评估斜撑对节点极限承载力、延性、刚度以及能量耗散能力等抗震性能的影响,分析两种破坏模态下节点的传力机制,并结合破坏模态和受力特性分别给出带斜撑和不带斜撑节点的设计建议。结果表明:不设置斜撑的试件表现出良好的塑性变形和能量耗散能力等抗震性能;斜撑的设置不仅有效地将塑性铰由桁架梁转移到斜撑端部,而且大幅度地提高节点的承载力和刚度,但在斜撑破坏前桁架梁塑性变形能力受限。整个加载过程中,4个试件的柱座与桁架梁之间的连接未出现破坏,且柱子与柱座之间的法兰板未出现明显的滑移现象,该柱座式连接可靠。

大跨钢桁架结构原位加载试验与分析

某85m跨钢桁架施工阶段部分斜腹杆整体失稳和下弦杆局部变形,随即更换了相应斜腹杆。为了评价修复后钢桁架的可靠性,开展了原位加载试验。采用水加载,对钢桁架施加了9kN/m的荷载。试验结果表明,钢桁架杆件应力和位移与荷载近似呈线性变化,应力和位移值较小,均满足相关规范的要求。对原位加载阶段的钢桁架进行了有限元分析。结果表明,原位加载阶段的有限元分析结果与试验结果吻合较好。考虑到原位加载前钢桁架已经承受了大部分恒载,对钢桁架进行了施工全过程模拟,获得杆件施工全过程的受力状态。与原设计理想状态结果对比,实际施工过程中钢桁架顶升点附近下弦杆轴力接近理想值,弯矩略有增大;此外,在施工完成后,钢桁架在顶升点处向上隆起,线形略不平顺。原位试验及结构分析结果表明,更换斜腹杆未对整体结构受力性能产生明显影响,更换斜腹杆后结构安全,可正常使用。

武汉某超限多塔楼连体结构设计

武汉某超限多塔楼连体结构由6栋框架⁃核心筒高层塔楼及连接于各塔楼间不同高度处的6个钢结构连体组成,高层塔楼结构高度分别为139.5m和108.0m,钢桁架连体跨度分别为38.3m和32.7m,属于存在多项不规则的超限高位连体结构。针对此类复杂连体结构,为考察其抗震性能,提出了明确的分析思路,详细介绍了该项目结构方案、抗震性能设计、风洞试验及针对超限采取的加强措施;采用YJK和MIDAS Building两款软件对结构进行小震作用下的弹性整体计算分析,并进行弹性时程分析补充计算;采用SAUSAGE软件进行了罕遇地震动力弹塑性分析。结果表明,结构整体指标满足规范要求,能够达到预设的抗震性能目标。

150m跨整孔全焊接钢桁梁试拼装工艺及荷载试验研究

孟加拉帕德玛大桥上部为全焊接连续钢桁梁结构,施工中开创性地采用了整孔拼装及架设方案。为验证钢桁梁拼装过程中线形计算及拼装方案的合理性、可行性,选取1跨钢桁梁进行试拼装和荷载试验。详细阐述了钢桁梁试拼装前线形计算、整孔试拼装施工技术、荷载试验等相关内容,通过对全过程检测数据及荷载试验分析,验证了该钢桁梁线形计算结果、拼装技术及试验结果均满足要求。

预制钢筋桁架水泥纤维板受力性能试验研究

目前我国预制楼板主要应用的是叠合楼板,预制钢筋桁架水泥纤维板的使用尚未得到推广。通过传统的静力堆载法对两块尺寸相同的预制钢筋桁架水泥纤维板的破坏模式、承载能力和变形能力进行探究。结果表明,在施工工况中,预制钢筋桁架水泥纤维板满足承载能力极限状态的设计要求;跨中最大挠度约为2.61和2.77 mm,远小于挠度计算值且符合相关规范限值要求。说明预制钢筋桁架水泥纤维板在施工阶段具有较好的承载能力和整体变形能力,可作为叠合楼板的底模使用。

双层桥面钢桁架连续梁桥静载试验控制指标研究

针对现行规范未就双层桥面钢桁架连续梁桥静载试验控制指标做出明确要求,基于实验力学及有限元基本原理建立了双层桥面钢桁架连续梁桥的荷载试验计算模型,利用等效荷载原理分别拟定了以弯矩、轴力作为控制指标下控制截面的静载试验加载方案,比较了关键构件在试验荷载作用下的弯矩、轴力加载效率,明确了双层桥面钢桁架连续梁桥的静载试验的控制指标。研究结果表明:在边、中跨最大正弯矩工况的加载效率满足规范要求的布载方式下,杆件轴力的加载效率最小为1.024,最大为1.259;在边、中跨最大轴力工况的加载效率满足规范要求的布载方式下,杆件弯矩的加载效率最小为0.603,最大为0.992;为确保结构安全,建议双层桥面钢桁架连续梁桥静载试验应以弯矩作为控制指标。该研究成果对于双层桥面钢桁架梁桥的静载试验提供了一定参考。

铁路下承式连续钢桁梁桥静动力性能评估

成昆铁路复线完工后,部分老线区段将并入复线,并开行时速为160 km的动车组。为评估老线中典型桥梁在开行动车组后的服役性能,通过数值仿真及现场静动力荷载试验的方式,对某3×64 m连续钢桁梁桥的静力及动力性能进行检测与评估。研究表明,静力荷载作用下,主桁杆件最大轴向拉、压应力分别为143.1,175.4 MPa,均小于容许应力240 MPa,结构具有足够的强度安全储备。第34、35、36孔挠跨比分别为1/1 756、1/1 940、1/1 732,均小于规范规定的1/1 250,表明该桥具备通行动车组的刚度条件。各工况下活动支座纵向位移最大值为3.195 mm,小于支座纵向位移允许限值,表明各活动支座工作状态良好。动荷载作用下,主梁振型、自振频率与既有检定结果差异不大,且均小于理论计算值。主梁跨中竖向加速度、主梁跨中横向加速度、桥墩横向振幅及活动支座横向变形均满足规范要求,表明该钢桁梁桥主梁、桥墩及支座等主要组成部分的技术指标均满足行车要求。

混凝土桁架拱桥荷载试验与承载力评价

钢筋混凝土桁架拱桥以其用料省、自重小、结构纤细美观等特点曾在我国大量修建,后期服役过程中在重载及环境因素的共同作用下出现大量病害影响结构使用安全及耐久性。本文以某钢筋混凝土桁架拱桥为例,详细介绍了该桥结构状态检测评估的内容以及桥梁荷载试验的内容、方法、测点布置。通过荷载试验与有限元分析相结合的方法较为全面地评价了既有桁架拱桥的承载能力,结果显示拱桥荷载试验校验系数大于1.0,最大相对残余变形为18%,桥梁实际受力状态较原设计存在明显劣化。最终结合结构病害、有限元计算及拱轴线测量结果给出了针对性的加固方案,为此类桥梁的结构状态评定及维修加固设计提供借鉴作用。