中央开槽箱梁颤振非线性特性和振动分叉现象及其机理

为探究超大跨度缆索承重桥梁在大攻角范围内的颤振稳定性,通过节段模型风洞试验对中央开槽箱梁在风攻角±10°范围内的颤振非线性特性和振动分叉现象及其机理进行了研究。结果显示:当风攻角为-2°~10°时,节段模型系统未发生颤振;当风攻角为-3°和-4°时,观察到了含振动分叉的非线性颤振现象,且起振幅值随风速的增加而减小;当风攻角为-5°~-10°时,颤振无需人工激励就会自动发生。两种非线性颤振均为弯扭耦合颤振,并最终做极限环振动。非线性颤振的起振风速随着负攻角的增大而减小,耦合程度随着折减风速的增加而增加。系统等效阻尼比-振幅曲线可以很好地解释非线性颤振机理,曲线的零点为系统平衡点,其中斜率为正的零点为稳定平衡点,对应稳态振幅;斜率为负的零点为不稳定平衡点,对应起振振幅。对于含振动分叉的非线性颤振,系统存在一个稳定平衡点和一个不稳定平衡点;而对于无需人工初始激励的非线性颤振,系统只有一个稳定平衡点。

大跨度悬索桥中央开槽箱梁断面的颤振性能

以建成后将成为世界最大跨径的钢箱梁悬索桥——西堠门大桥为例,通过节段模型风洞试验、CFD数值模拟和理论计算对中央开槽箱梁断面的颤振稳定性能进行研究,分析了开槽宽度和箱梁内外侧局部气动外形的改变对中央开槽箱梁断面颤振稳定性能的影响。研究结果表明:开槽宽度对中央开槽箱梁断面的颤振稳定性能影响显著;箱梁内外侧局部气动外形的改变也会对结构颤振性能产生一定的影响,而且影响规律更为复杂。

基于试验设计与代理模型的中央开槽箱梁气动外形优化方法

为克服大跨度桥梁主梁断面气动选型过程中几何参数多、潜在组合多、试验工作量大的难题,提出基于“均匀试验设计+Kriging代理模型”优化策略的桥梁断面气动外形优化方法。以某大跨桥梁中央开槽箱梁颤振性能优化为例,采用该方法进行气动外形优化。基于计算流体动力学(CFD)数值模拟,首先通过“均匀试验设计”合理选取CFD分析工况,再利用“Kriging代理模型”以尽可能少的工况建立主梁几何参数-颤振临界风速关系模型,基于该模型分析不同几何参数对桥梁颤振性能影响规律,获取最优主梁断面。结果表明:“均匀试验设计+Kriging代理模型”优化策略能够在保证模型精度的前提下显著减少计算工况,工作量仅为遍历性试验的0.68%;CFD数值模拟、试验设计与代理模型策略的结合可以快速评估不同几何参数对抗风性能的影响规律,在背景桥梁主梁高度和行车道宽度下,中央开槽箱梁的颤振最优参数为槽宽比D/B=0.12、风嘴角度α=44°、下斜腹板倾角β=11°。

中央开槽箱梁涡激共振特性及抑振措施机理研究

基于大比例节段模型风洞测振、测压试验及计算流体力学(Computational Fluid Dynamic,CFD)方法进行中央开槽箱梁涡激共振特性及抑振措施机理研究。以芜湖长江公路二桥为例进行大比例节段模型风洞试验。结果显示,位于气动敏感位置内侧检修车轨道是诱发涡激共振原因。CFD数值模拟表明,流过上游断面底板的气流遭遇内侧检修车轨道阻挡,会加大上游断面尾流死水区宽度,开槽区域产生连续旋涡脱落现象,主导主梁断面涡振发生。提出将内侧检修车轨道向主梁中心线偏移一定距离方案,使上游断面流过梁底的高速气流在底板内侧转角处不受检修车轨道影响,气流分离点延后,开槽区域连续旋涡脱落现象消失。主梁断面表面静态测压试验结果显示,此时气流沿梁体外形能平稳过渡,无明显流动分离现象,上游断面底板内侧转角处负压值不会产生剧烈突变。上、下游断面整个内腹板的脉动压力减小、能量分散,无一致的卓越频率。对改进断面进行大比例节段模型涡振风洞试验,并与原型断面结果对比,证实其为有效的抑振措施。

中央开槽箱梁断面扭转涡振全过程气动力演化特性

中央开槽箱梁因其优越的颤振性能而在大跨度桥梁建设中得到应用,但中央开槽存在引发结构大幅涡振的气动稳定性问题。以典型大跨度桥梁中央开槽箱梁断面为对象,进行弹簧悬挂节段模型风洞测压、测振试验。对比研究了扭转涡振锁定风速全过程起振点、上升区中点、振幅极值点、下降区中点及涡振结束点等涡振发展过程箱梁表面气动力演化特性。研究表明,箱梁表面气动力在涡振过程不同阶段具有明显的变迁历程,气动力特性与涡振响应有明显的同步演化关系。分布气动力对涡激力的贡献与扭转涡振振幅呈正相关关系,均在振幅极值点风速达到最大,下游箱梁上下表面后部区域及上游箱梁上表面前部区域对涡激力贡献较大,前两者起增强作用,后者起抑制作用,这些区域的气动力是引起中央开槽箱梁扭转涡振的主要原因。与闭口箱梁上下表面下游分布气动力对整体涡激力贡献相互抵消效应相比,中央开槽使得下游箱梁上下表面分布气动力均对整体涡激力起增强作用,这是中央开槽箱梁相比闭口箱梁涡振效应更加突出的重要原因。