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.

导风栏杆参数对钢桁梁桥风车桥耦合振动影响研究

为探究导风栏杆参数对钢桁梁桥风车桥耦合振动的影响,以某典型超高墩钢桁梁桥为背景,对设置了新型导风栏杆的节段模型进行风洞试验及CFD数值模拟,得到不同导风栏杆参数及风攻角下车、桥三分力系数。在此基础上,建立风-车-桥系统空间耦合振动仿真分析模型,分析不同风速情况下不同导风栏杆间距、挡风面角度以及风攻角对车-桥系统动力响应的影响,得到最优导风栏杆参数。结果表明:随着导风栏杆间距增大,桥梁阻力系数缓慢减小,列车阻力系数呈增大趋势;随着挡风面角度的增大,桥梁三分力系数变化较小,列车阻力系数呈增大趋势;导风栏杆对桥梁三分力系数随风攻角变化的变化趋势影响较小,对列车阻力系数随风攻角变化的变化趋势影响较大;对于此类桥梁而言,导风栏杆间距为60~75 cm时挡风效果较为显著,60 cm间距导风栏杆可最大程度降低列车响应,且不显著增大桥梁响应;挡风面角度为10°~20°时挡风效果较为显著,10°挡风角的导风栏杆可以在充分发挥挡风效果的同时将列车响应控制在较低水平,且不会显著增大桥梁响应;挡风面角度相较于导风栏杆间距对车-桥系统振动影响小;导风栏杆可以有效减小3种风攻角条件下的列车脱轨系数以及-7°攻角条件下的轮重减载率,但同时也增大了-7°攻角和0°攻角条件下的轮重减载率以及桥梁中跨跨中横向位移。研究结果为进一步优化导风栏杆参数和保证列车在超高墩钢桁梁桥上安全营运提供参考。

多排大跨度光伏柔性索桁架结构设计的差异化

山地光伏电站建设的发展势头迅猛,光伏柔性索桁架结构应运而生。这种结构在原有单层悬索的柔性支架基础上增加了防风结构,能更好地适应复杂地形。但索桁架结构和受力更为复杂,目前缺少统一的设计规范,为研究光伏柔性索桁架两种典型结构的结构性能,采用有限元的方法对不同拱形矢高多排大跨度光伏柔性索桁架进行仿真分析,从结构模态、风振系数以及极限工况多角度开展研究。结果表明,增大防风索拱形的矢高,有利于抑制倒拱和正拱两种结构的风致振动;分析四种极限工况,矢高每增加100 mm,倒拱Z向位移平均减小率最小为10.07%,正拱最小为2.79%。同时倒拱结构的挠度变形和轴力等力学性能优于正拱结构,更具市场应用价值。

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。

济阳黄河公铁两用特大桥主桥设计关键技术

济阳黄河公铁两用特大桥主桥为四塔三主跨、非对称矮塔钢桁梁斜拉桥,孔跨布置为(84+144+228+240+300+120+60)m。桥塔采用扁钢箱形桥塔,主墩采用矩形截面实心门式墩,主墩基础采用直径2 m钻孔灌注桩,主梁采用双层板桁结合的钢桁梁。通过结构体系比选,主桥采用塔梁固结、塔墩分离的结构体系,可显著降低长联钢结构温度效应。主梁采用超宽双主桁直桁及铁路桥面非行车道区域镂空设计,构造简洁且能很好地与结构体系相适应。铁路桥面系顶板采用不锈钢复合板,提高了耐久性和经济性;公路桥面采用压重设计,解决了负反力问题。该桥桥塔采用了融入齐鲁文化的“齐鲁之魂”造型,使结构更好地融入周围环境。主梁节段模型和全桥气弹模型风洞试验表明,主梁的颤振性能、涡振性能及静风稳定性均满足抗风安全需求。通过阻尼器斜置的减隔震设计方案,解决了桥梁顺桥向及横桥向2个方向的抗震难题。应用钢结构桥梁参数化建模、智慧建造及健康监测技术,保障桥梁结构安全。

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。

桁架式桩腿的自升式风电安装平台特殊构件设计

本文借助三维直接计算设计技术,结合依托2 000 t自升自航式一体化海上风电安装平台桩靴结构设计中船级社对桩腿与桩靴连接处特殊结构设计的重点关注,从桩腿根部的主弦管剖面特性出发,详细探讨了桁架式桩腿与多边型桩靴连接处特殊构件结构递进式设计流程,为海上风电安装平台的大型化桁架式桩腿的研发提供基础。

考虑下层人非通道影响的大跨钢桁架拱桥抗风性能研究

大跨径钢桁拱桥是一种对风荷载较为敏感的桁架结构,现以株洲清水塘大桥为研究对象,开展了下层人非通道对全桥结构抗风性能的影响研究。首先建立了有限元分析模型,比较了有无下层人非通道对全桥结构振型与频率的影响。通过主梁节段模型风洞试验,开展了有无下层人非通道的主梁振动特性研究。研究表明,设置人非通道后,主梁涡激振动得到了显著抑制。之后,进一步通过节段模型测力风洞试验,对比了有无人非通道的断面静气动力系数的变化情况。主梁静气动力系数测力风洞试验结果表明,设置人非通道后,主梁阻力系数与升力系数均增大,升力矩系数未发生明显变化。最后,开展了全桥结构风荷载效应分析。结果表明,考虑人非通道后,主梁与拱肋横向位移极值响应有明显增大。其中,主梁横桥向位移增大约44%,主拱横桥向位移增大约18%。

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。

蚕茧形大跨度煤棚钢结构施工技术

华润某电厂为双条形空间网架结构,结合现场施工条件及工期限制,经多种网架拼装方案的对比,择优采用“对称分块拼装高空散装”的施工工艺。考虑到双条形平行网架对风荷载比较敏感,采用有限元软件Fluent分析了不同风向角下煤棚结构表面的风荷载体型系数。经CFD分析得到:半球与弧线屋盖交界处附近体型系数约为–0.6,通风天窗顶部体型系数取–1.5。考虑到蚕茧形网架结构施工复杂,采用3D3S软件对空间网架的拼装过程进行杆件内力验算,计算结果显示,结构应力及位移均在设计值范围内,构件杆件的超应力杆数和超长细比杆数均为零,具有富足的施工安全储备。

大型碟式太阳能聚光器网架结构拓扑优化设计

为提升碟式太阳能聚光器的性能,减小聚光器整体质量、减少加工成本,满足轻量化设计要求,以聚光器网架结构为分析对象,采取有限元理论和拓扑优化方法对传统碟式太阳能进行结构设计与改进,首先,建立完整的碟式太阳能有限元模型,导入HyperWorks软件对聚光器及网架结构进行网格划分以及静力学分析和模态分析,由于碟式太阳能聚光器的体积及迎风面积较大,外部气候条件对其影响很大,必须考虑气动载荷等各项外部影响因素,故使用ANSYS Fluent软件对其进行风洞试验仿真,获得作用在网架上的力和力矩,根据以上载荷条件对其进行优化处理获得其最佳拓扑构型。最后,基于模糊灰色关联分析理论分析碟式太阳能网架结构各风载荷系数与高度角、方位角、风速等因素的关联影响程度。研究结果表明:最终优化后的网架性能在各方面均有所提高,最大应力减小39.0%,最大位移减小5.6%,总质量减小8.0%。

风电安装船桁架式桩腿结构分析与优化

海上风电行业迅速发展,对风电安装船的研究更加值得关注。基于某自航自升式风电安装船,使用Sesam软件建立有限元模型。以安全性、经济性为目标,在倒K型原桩腿型式的基础上,比选K型、X型桩腿型式,分析风暴自存工况及作业工况下3种桩腿构型的结构重量、最大位移、各构件的屈服和屈曲强度(UC值)及抗倾覆能力,得出X型是风电安装船推荐的桩腿结构型式,为风电安装船桩腿选型提供参考。

桁梁断面对大跨度公铁两用桥梁风-列车-桥耦合振动特性的影响

为研究不同桁梁断面形式对行车安全的影响,对一座大跨度跨海公铁两用桥梁6种断面进行数值模拟研究车-桥的气动特性,并与类似断面的风洞试验结果进行对比。通过刚度等效对主梁模型进行简化,缩减了桥梁模型的自由度,并与精细化的板壳模型进行对比验证。通过风-车-桥耦合振动分析,研究不同风速及车速条件下不同桁梁断面车辆及桥梁的响应,讨论双车交会的影响。结果表明:断面形状显著影响车桥气动特性,进而改变车辆和桥梁振动响应。与倒梯形断面相比,通过带挑臂断面或矩形断面时车辆及桥梁响应较小,一定范围内改变入桥距离差会明显改变桥梁产生的响应,但车辆响应受入桥距离差影响不大。

桁架式桩腿的方型桩靴结构设计研究

针对风电安装平台的结构稳定性问题,本文提出了小肘板结构、大肘板结构、三角形浮箱水密结构3种桁架式方型桩靴复合型结构,采用典型设计载荷工况对3种桩靴结构进行强度分析研究。结果表明:较小肘板结构而言,后两种桩靴结构强度更好;大肘板结构与三角形浮箱水密结构应力水平及变形相当,但后者密封性更好,实际应用中能有效避免淤泥堆积引起的应力集中,延长使用寿命。因此,采用三角形浮箱水密复合型桩靴结构更能满足风电安装平台的结构设计需求。

风撑对半穿式应急钢桁梁面外稳定性的影响研究

为探析风撑对半穿式应急钢桁梁面外稳定性的影响,通过理论推导给出风撑轴力、半框架侧向位移计算公式,并以某56 m跨半穿式应急钢桁梁为研究对象,分别采用有限元法、本文方法和规范方法进行计算,对比验证理论推导的正确性和合理性,以及规范方法中忽略风撑影响的不合理性;开展面外稳定参数影响分析,探讨风撑的作用机理以及风撑面积、风撑夹角对半穿式应急钢桁梁稳定性的影响规律。研究表明,半穿式应急钢桁梁稳定分析中应充分考虑风撑的作用,忽略其影响不利于轻量化设计;参数影响分析表明,风撑轴力、半框架侧向位移、上弦杆侧向支撑刚度以及结构整体稳定性均随风撑面积和风撑夹角的不同而变化。对于本文算例,综合考虑各种因素,建议风撑面积取为腹杆面积的20%~50%,风撑竖向夹角取15°~35°,可显著提高上弦杆侧向支撑刚度,线弹性稳定系数提高18%~32%,风撑对半穿式应急钢桁梁面外稳定性的改善最优。

基于风洞试验的板桁分离及板桁结合梁颤振性能对比研究

为研究大跨度桥梁断面形式差异对颤振性能的影响,以赤水河桁架桥为研究对象,通过节段模型风洞试验分别对板桁结合断面与板桁分离断面进行颤振性能测试。试验结果显示,两种梁型在颤振特性上存在显著差异,板桁分离梁的颤振形态表现为自限幅弯扭耦合软颤振,且其起振风速、稳态振幅和颤振频率等模态特性随风攻角由负到正而增大、减小和增大;板桁结合梁的颤振形态包含发散型硬颤振与自限幅软颤振两种,其起振风速、颤振频率与耦合程度等特征随风攻角的变化无明显规律。最后基于试验数据,提取了振幅依存的模态阻尼比,初步探讨了颤振形态变化的力学机理,结果显示,板-桁分离间隙对模态阻尼演化曲线的改变,会进一步提高负攻角下系统的颤振发散风速,改善系统的颤振性能。

悬索桥钢桁加劲梁在斜风作用下颤振稳定性试验研究

传统大跨度桥梁颤振分析中往往忽略了自然风向与桥跨方向存在一定偏角,进而降低桥梁抗风要求,导致设计偏不安全,因此以某钢桁架加劲梁悬索桥为工程背景,开展斜风作用下的钢桁加劲梁颤振稳定性及气动性能研究。通过开展主梁节段模型风洞试验,研究风偏角变化对桁架加劲梁悬索桥颤振稳定性的影响,提出相应的气动控制措施,并开展颤振控制效果影响分析,研究结果表明:桥面中央开槽与封槽模型和设置稳定板的桥面开槽和封槽模型,最低颤振临界风速一般均在+3°风攻角、5°风偏角时出现;在+3°最不利风攻角时,设置稳定板的开槽断面,颤振临界风速随风偏角的增加呈先降低后增加的趋势,设置双层翼板的开槽断面颤振临界风速随风偏角增加而增加;斜风作用使颤振临界风速下降的幅度受稳定板高度影响较大;上稳定板对开槽断面的颤振控制效果受风偏角影响比较大,上稳定板对开槽断面在非零风偏角下的颤振控制效果要优于0°风偏角。

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。

某风荷载控制超高层结构的方案优化设计

位于深圳市的某超高层办公楼地上54层,结构高度约217m,平面呈扁长形。风荷载作用下短边方向的层间位移角接近规范限值,结构设计主要由风荷载控制。本项目采用抗侧刚度和经济性较好的钢筋混凝土框架-核心筒结构体系。为提高建筑品质,基于结构构件截面最优化目标,从抗侧力体系与楼面框架梁截面两方面展开优化分析。在抗侧体系优化方面,从受力性能和综合经济性角度进行分析,确定采用框架-核心筒+伸臂桁架结构方案,并通过敏感性分析确定最优化的伸臂桁架布置位置。在楼面框架梁截面优化方面,分析了型钢混凝土梁和竖向加腋混凝土梁两种方案的优化效率;并通过考虑混凝土徐变收缩影响的施工模拟分析,进一步降低框架柱和核心筒之间的竖向变形差产生的附加弯矩。通过上述系列措施及配合高强钢筋应用,实现楼面框架梁设计的经济合理。最后利用SAUSAGE软件对优化后的结构方案进行动力弹塑性时程分析,验证该方案结构在大震作用下具有的良好抗震性能。