中央稳定板颤振控制效果和机理研究

以针对颤振机理研究而建立的二维三自由度耦合颤振分析方法为理论工具,结合节段模型风洞试验,对薄平板断面中央稳定板气动控制措施的颤振控制效果和控制机理进行了研究.通过对基本断面和四种不同高度稳定板断面的颤振性能、颤振驱动机理和颤振形态变化规律的研究表明,当稳定板高度恰当时,中央稳定板的设置能够有效地改善结构的颤振稳定性能.其控制机理是增加竖向自由度参与程度,改变耦合气动阻尼的性质和发展规律,从而抑制系统扭转运动的发散,使得颤振形态转化为竖弯形式.但是当稳定板高度超过临界值后,由于系统竖弯运动稳定性的降低,结构的颤振稳定性能反而会下降.

设置中央稳定板对大跨度悬索桥抗风性能的影响

在润扬长江公路大桥南汊悬索桥的节段模型风洞试验中,研究了稳定板高度对动力抗风稳定性的影响,采用了增设0.65 m高中央稳定板的有效措施,并获得了原断面和增设中央稳定板断面的气动导数和三分力系数;采用非线性静风和颤抖振时域方法,研究了设置中央稳定板对静动力抗风性能影响。结果表明,恰当地设置中央稳定板,不仅能够提高桥梁的颤振临界风速,还能够降低结构的抖振响应,而结构的静风失稳风速在正攻角下有所降低。

中央稳定板对分体箱梁桥梁的涡振控制

以一座分体箱梁桥梁为背景,通过计算流体动力学(CFD)数值模拟和节段模型风洞试验,分别对上、下中央稳定板作用于分体箱梁的涡振控制效果展开研究.发现随着中央稳定板高度的增加,竖向涡振性能都是先变好再变差,分别在0.4倍梁高上稳定板时和0.2倍梁高下稳定板时竖向涡振振幅最小;增设上稳定板时加大了扭转涡振振幅,而下稳定板明显减小了扭转涡振振幅.CFD模拟的涡度场和压强场对比还表明,中央稳定板改变了槽中漩涡的运动方式和下风侧两端上下表面的压强,从而明显改变了竖向涡振的振幅.综合结果发现,0.2倍梁高下稳定板的涡振控制效果最好,而0.8倍梁高上稳定板的涡振控制效果最不利.

基于三维频域分析的中央稳定板抑振机理研究

大跨桥梁采用斜吊杆、空间主缆与各种控制措施,使得桥梁结构的固有特性变得更加复杂。其中通过设置中央稳定板来改善颤振气动性能是常见的气动控制措施。文章以安装中央稳定板的流线型箱梁为研究对象,为考虑主缆、吊索、桥塔等结构与来流风的相互作用及多模态间的耦合效应,通过全桥气弹模型风洞试验与三维频域分析相结合,研究中央稳定板的抑振机理。

中央稳定板对大跨度开槽桁架梁悬索桥颤振稳定性的影响

以坝陵河大桥为背景,通过节段模型风洞试验研究了上下中央稳定板对具有中央开槽桥面板的大跨度桁架加劲梁悬索桥颤振性能的影响。结果表明,在桁架加劲梁横梁上弦杆上侧设置适当高度的上中央稳定板可以较大幅度地提高桥梁的颤振临界风速,并且在常规的稳定板高度范围,颤振临界风速基本上随上稳定板高度的增加而提高;在横梁上弦杆下侧的主桁架内设置适当高度的下中央稳定板也能在一定程度上改善桥梁颤振稳定性,但效果明显不如上稳定板,在某些高度情况下甚至会降低桥梁的颤振临界风速。

中央稳定板提高桁架梁悬索桥颤振稳定性的气动机理

为了研究中央稳定板的气动作用机理,首先采用三自由度耦合振动时域识别的强迫振动法,一次识别出桁架断面在有无中央稳定板时的18个气动导数,然后以识别的气动导数作为输入参数,利用自主研发的NACS软件对矮寨大桥进行了颤振分析;最后通过能量原理对中央稳定板的作用机理进行了证明。结果表明:中央稳定板对气动性能的影响主要体现在气动导数A2*降低了气动负阻尼;中央稳定板的作用机理是提高了颤振发生时竖弯自由度的参与程度和扭弯耦合程度,使得颤振形态由单自由度扭转振动向弯扭耦合振动转移,从而降低了颤振频率,提高了颤振临界风速。

上、下组合中央稳定板对于箱梁颤振性能的影响

为比较不同高度稳定板单侧和上、下组合设置时断面的颤振性能,并说明设置中央稳定板前后不同攻角下颤振发散机理的改变,针对一特定的单箱断面悬索桥,设计并开展了一系列节段模型风洞试验。首先研究了3个攻角(3°,0°,-3°)下单侧设置稳定板对颤振性能的影响,进而同时改变上侧和下侧稳定板的高度,探索对应攻角下断面的抗风效果,从而给出稳定板组合设置时的最优高度取值。结合二维三自由度颤振分析方法(2d-3DOF),分析了最优中央稳定板组合设置断面相比于原始断面颤振发散机理的变化。结果表明:无论是上侧或下侧,单侧设置稳定板断面的颤振临界风速基本呈随着稳定板高度先增大后减小的趋势,合理高度的稳定板能提高颤振临界风速;相比于单侧稳定板,同时设置上、下稳定板对于气动稳定性能的改善效果更佳;二维三自由度分析结果显示,中央稳定板显著改变了颤振发散驱动机理,组合设置稳定板的最优断面和原始断面气动阻尼随风速的变化趋势明显不同。

中央稳定板对桁架桥梁断面气动导数的影响

加劲梁断面形式为桁架断面的大跨度桥梁,其抗风稳定性较差,与扭转相关的2个被动气动导数H*2和H*3的数值较小,表现为单纯扭转颤振破坏。通过设置上、下中央稳定板,可使与扭转有关的A*2、H*2及H*3等3个主要气动导数发生较大变化,从而提高颤振破坏时竖向自由度的参与程度,并使原桁架断面由单纯扭转颤振破坏转变为弯扭耦合颤振破坏,明显改善了桁架断面的颤振稳定性,可为此类桥梁的抗风设计提供参考。

分体式主梁桥梁颤振稳定性流固耦合数值计算研究

通过对计算流体力学商用软件FLUENT二次开发,建立了二维弯曲和扭转流固耦合数值仿真计算模型,研究6种钢箱梁桥梁方案的颤振稳定性:①整体钢箱梁;②~④不同中央开槽率的钢箱梁(开槽率分别为20%,40%和100%);⑤中央开槽与中央稳定板组合钢箱梁;⑥中央开槽与中央稳定板和水平稳定板组合钢箱梁。数值计算结果表明,对于颤振稳定性,中央开槽钢箱梁优于整体式钢箱梁;在假定主梁截面特性及桥梁自振频率不变的条件下,适当的开槽率可以使钢箱梁颤振临界风速达到最高;中央开槽与中央稳定板和水平稳定板组合钢箱梁可进一步提高桥梁颤振临界风速。数值仿真计算结果和风洞试验结果基本吻合。

大跨度悬索桥施工阶段颤振稳定性措施研究

为提高大跨度悬索桥施工阶段的颤振稳定性,以南京仙新路过江通道(该桥为主跨1760 m悬索桥)为背景,通过有限元方法对施工阶段动力特性进行分析,根据颤振临界风速理论确定最不利施工阶段,对施工阶段颤振稳定性措施(仅安装中央防撞护栏、同时安装中央防撞护栏和中央稳定板)开展风洞试验研究。结果表明:加劲梁吊装初期的颤振稳定性较弱;梁段拼装率约为20.6%时为最不利施工阶段;+3°风攻角下的颤振临界风速远低于其它攻角下的,存在较大安全风险;安装中央防撞护栏或进一步安装中央稳定板的措施提高了竖弯振动参与度,削弱了扭转振动能量,有效提高了颤振稳定性,+3°风攻角下的提升在所有风攻角中最显著。

大跨度桥梁实用颤振控制方法

当大跨度桥梁面临颤振威胁时,合理有效的被动气动控制方法是避免其在服役期内发生风毁的最好保障.研究了适用于闭口箱梁等3种大跨度桥梁常用主梁的多种被动气动颤振控制方法.结果表明,中央开槽适合于提高气动稳定性能较好的闭口箱梁的颤振性能,风嘴则能显著提升气动外形钝化的开口边主梁的颤振临界风速,而中央稳定板几乎适合于各种主梁形式.此外,对检查车轨道等附属装置进行局部调位也可以起到良好的颤振控制效果,而多种控制方法的合理组合可以进一步发挥其控制作用.气动控制措施的效果与其设置参数紧密相关,针对各种控制方法的合理参数设置进行了研究和优化.

H形断面的压力分布特性对其颤振性能的影响

文中推导了采用模型表面压力来描述的颤振导数表达式,结合计算流体动力学方法,获取模型表面压力,分析颤振导数表达式中压力幅值和相位差的提取方法,研究模型表面压力分布特性对颤振导数以及颤振稳定性的影响。通过对模型进行合理分区,探讨模型表面不同区域对颤振导数的贡献,以此为基础分析了中央稳定板的抑振原理。研究结果表明,H形主梁上下表面旋涡的非对称分布造成了模型表面平均压力分布的非对称性,并使得模型产生顺时针转动力矩。当风速低于颤振临界风速时,对颤振导数A_2~*影响较大的分布压力会使模型产生逆时针转动力矩,从而维持了振动系统的平衡;而当风速达到颤振临界风速时,影响A_2~*的分布压力将会使模型产生顺时针转动力矩,因此破坏了振动系统的稳定性。

稳定板高度对桥面输送机边主梁斜拉桥涡振性能的影响机理

为研究不同高度梁底中央稳定板对桥面安装输送机的边主梁桥涡振性能的影响,通过节段模型风洞测振、测压试验获取主梁在下中央稳定板作用下的涡振性能和压力时程数据,并综合对比分析了主梁在3种不同高度稳定板作用下的脉动压力系数均值、均方差、功率谱、局部与总体气动力的相关性。结果表明:稳定板对边主梁断面气动稳定性的提高具有良好的效果,高度1 m和1.5 m下中央稳定板对主梁涡振响应的作用基本一致,使峰值响应约降低了25%,而伸出梁底0.5 m(即高度2 m下中央稳定板)能完全抑制主梁涡振响应。竖弯涡激共振发生的主要原因是上表面前部分离与再附区域强烈的压力脉动,下表面前部气动力与总体气动力的强相关性以及后部具有明显相关性的强烈压力脉动;增设高度1 m和1.5 m下中央稳定板对表面流场分布影响较小,但上表面和下表面大部分区域的压力脉动随稳定板高度的增加逐渐降低,主梁涡振响应被削弱;下表面稳定板后部区域相关性降低,同时其脉动压力增强,从而造成主梁在2种高度稳定板作用下涡振响应一致;增设高度2 m下中央稳定板,稳定板后部部分测点的涡脱频率仍集中在模型的竖弯频率,但能量较低,上下表面与总体气动力的相关性不同程度破坏,压力脉动大幅削弱,涡激共振得到完全抑制。

钢混组合梁斜拉桥涡激振动性能及控制措施研究

钢混组合梁在大跨度斜拉桥中应用广泛,然而其多采用钝口的Π形截面,其气动性能较差,因此涡激振动控制是其重要问题。为研究Π形钢混组合梁的涡激振动性能与相应的控制措施,以遵余高速湘江特大桥为研究对象,开展1∶50缩尺比的节段模型风洞试验,测试成桥态和施工态主梁断面在特定阻尼比下的涡激振动振幅,并研究了上下中央稳定板对于桥梁涡振和颤振性能的影响。研究结果表明:施工阶段设计风速范围内原始断面主梁会发生明显的涡激振动,但最大振幅仍满足规范要求,成桥状态下原始断面结构在0°与±3°三种攻角下将出现较大的涡激振动。虽然涡激振幅仍满足规范要求,但竖向振动幅值已接近规范容许值;加装主梁上下中央稳定板可明显降低涡激振动幅度.主梁气动外形的变化虽然会引起主梁颤振临界风速变化,但优化措施后的颤振临界风速仍能足规范要求.因此建议在工程中采用中央稳定板进行桥梁风致涡激振动控制。

桁架桥主梁三分力系数试验

针对制振措施可能影响到结构的静力稳定性的问题,结合某大桥节段模型风洞试验,以中央稳定板、栏杆透风率、风障和车辆作为分析三分力系数的影响因素,共模拟了13种工况,得到各种制振措施对桁架桥主梁静力三分力系数的影响规律。结果表明:三分力系数的改变直接影响到静风荷载,这些参数的变化对主梁静风荷载的影响不容忽视;中央稳定板的不同设置方法对主梁静力三分力系数的影响明显,单独设置上中央稳定板时主梁阻力系数显著增大,在大风攻角时增幅超过100%;下中央稳定板和封闭栏杆的组合设置对主梁静力影响较小;风障的设置显著增大了主梁阻力系数。