不同风攻角下分离式双箱梁涡振气动力演化和局域相关性研究

通过弹簧悬挂节段模型同步测振测压风洞试验模拟结构涡激振动,以1座大跨度斜拉桥的分离式双箱梁为研究对象,测定均匀流场中不同风攻角下的涡振响应及表面风压。基于局部特征区域气动力与断面总体气动力的局域相关性概念,分析竖弯涡振时上游断面迎风侧下斜腹板、下游断面迎风侧斜腹板及顶板这3个关键局部特征区域的气动力演化特性及其与整体总气动力的同步演化关系。研究结果表明:当改变来流攻角时,在分离式双箱梁涡振过程中,不仅会使浸没在流场中的绕流状态、旋涡作用位置发生改变,还会使局部气动力与整体气动力的相关性发生改变。虽然断面不同区域的局部气动力与总体气动力的振动卓越频率相同,但其高阶谐波分量对应频率参与涡振作用的比例却随着风攻角变化而发生变化。另外,分离式双箱梁下游断面迎风侧斜腹板区域与整体断面的涡振特性有着较强的同步演化关系,在实际工程中需重点关注。

中央格栅抑制分离式双箱梁涡振的机理研究

为研究分离式双箱梁涡振的原因以及中央格栅对其涡振的抑振影响,以拟建中的伶仃洋航道桥主桥(主跨1 660m的分离式双箱梁悬索桥)为背景,基于计算流体动力学,运用延迟分离涡湍流模型,采用结构化网格体系,对均匀流下有、无格栅2种加劲梁断面周围的流场进行数值模拟研究,并分析了2种断面周围的流场结构以及断面上的气动力特性。结果表明:流体经过上游断面时,会在分离式双箱梁的中央开槽处形成大尺度、交替脱落的旋涡,然后与下游断面发生碰撞,并产生幅值较大的升力,从而导致涡振发生;当设置中央格栅后,分离式双箱梁开槽处的大尺度旋涡被打碎,强度减弱,尺度减小,产生的断面升力幅值也明显减小,从而有效抑制了涡振的发生。

基于表面风压分析的分离式双箱梁流场特性研究

为研究分离式双箱梁流场特性,以某分离式双箱梁断面斜拉桥为研究对象,采用节段模型测振与测压试验的方法得到分离式双箱梁不同状态下的表面风压,通过对风压进行分析处理得到不同状态下风压脉动主频分布及平均风压系数分布。在振动状态下,对扭转涡振锁定区间内及超出扭转涡振锁定区间后分离式双箱梁模型表面风的压力脉动主频分布区域的变化进行归纳总结,并与分离式双箱梁节段模型测振试验进行对比。在扭转涡振锁定区间内,对分离式双箱梁模型表面平均风压系数变化趋势进行对比;对处于扭转涡振振幅上升阶段、振幅最大阶段、振幅下降阶段的分离式双箱梁模型表面风的压力脉动主频与模型扭转基频相等的区域变化范围进行归纳总结;对分离式双箱梁不同状态下平均风压系数分布进行对比。结果表明:分离式双箱梁空隙内侧的涡脱是其产生扭转涡振的必要条件;在涡振锁定区间内不同风速下,分离式双箱梁平均风压系数的变化规律一致;上表面风压主频与扭转基频相同的区域随着风速的提高而缩小;分离式双箱梁上游下表面平均风压系数受运动状态的影响较小。

抑涡格栅对宽幅分离式双箱梁涡振性能的影响研究

为研究抑涡格栅对分离式双箱梁涡振性能的抑制效果及格栅设计参数对其抑振效果的影响,以某大跨分离式双箱梁悬索桥为背景进行节段模型风洞试验,研究格栅透风率、格栅条宽度、格栅布置方式及设置位置对加劲梁涡振性能的影响,并采用计算流体力学(CFD)方法分析断面流场特性,揭示加劲梁产生涡振的原因及格栅的抑振机理。结果表明:设置格栅能有效抑制分离式双箱梁的涡振;分离式双箱梁的涡振振幅随格栅透风率的增加先增大后减小,33%~67%为最优透风率区间;格栅的抑振效果随格栅条宽度的增大而增强;格栅均匀布置比非均匀布置时抑振效果更好;在分离式双箱梁中央开槽上表面设置格栅比在下表面设置格栅抑振效果更优;产生涡振的气动力来源于下游侧箱梁处简谐变化的升力,设置格栅后上游侧箱梁产生的尾流旋涡会被格栅打碎,从而消除下游侧简谐变化的升力。

大跨度斜拉桥分离式双箱梁桥面节段的三维空间屈曲

局部屈曲问题是钢结构设计中的一个关键问题。上海长江大桥主通航孔桥的桥面结构为中间箱形连系梁连接的分离式双箱梁体系,具有十分复杂的空间效应;所以,对桥面结构节段的局部屈曲分析是非常有必要的。运用三维板壳单元进行建模,模型考虑了桥面风嘴部分对节段局部屈曲的影响,并且提出了一些对桥面结构设计有价值的建议。

半分离式斜腹板双箱梁大跨单肋拱桥颤振临界风速分析

为研究低扭弯频率比大跨度桥梁的颤振性能,以某主跨180 m的半分离式斜腹板双箱梁大跨单肋拱桥为背景(主梁扭弯频率比接近1.0),进行颤振临界风速分析。采用有限元法分析该桥动力特性,计算桥梁颤振稳定性;对比《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T 3360-01—2018)推荐的3组理想平板颤振临界风速估算公式,基于Scanlan半逆解法的理想平板颤振临界风速,考虑主梁形状与攻角修正系数确定颤振临界风速范围;采用强迫振动数值模拟识别颤振导数,获得精确颤振临界风速,进一步计算半分离式斜腹板双箱梁的形状和攻角系数。结果表明:该桥主梁扭弯频率比较低,颤振稳定性低于500 m级大跨度双肋拱桥;规范推荐的理想平板颤振临界风速估算公式在小扭弯频率比时差异较大;半分离式斜腹板双箱梁形状修正系数小于分离式双箱梁而大于P-K梁、带斜腹板箱梁,攻角修正系数略大于这3种形式主梁。

分离式双箱主梁断面气动优化措施研究

随着桥梁跨径不断增大,抗风性能已成为设计中的关键控制性因素。由典型流线型钢箱梁中央开槽而来的分离式双箱主梁在超大跨径桥梁中具有广阔的应用前景。但目前针对分离式双箱主梁断面气动优化的研究多围绕某单一气动措施的优化展开,关于多种气动措施配合使用对其气动性能影响的研究较少。以同时设置了风嘴、导流板和分流板的分离式双箱主梁断面为对象,设计了16种断面形式,从静风稳定性和颤振稳定性两方面,研究了多种气动措施共存情况下,各气动措施对分离式双箱主梁断面抗风性能的影响,从而得到各气动措施的优化设置方法。研究成果对提高超大跨径桥梁抗风性能具有指导意义。

上海长江大桥主桥斜拉桥双箱梁节段的三维空间屈曲

上海长江大桥主通航孔桥斜拉桥的桥面结构为中间箱形联系梁连接的分离式双箱梁钢结构体系,具有十分复杂的空间效应,而局部屈曲问题是钢箱梁设计中的一个关键问题。因此,对双箱梁节段的局部屈曲分析是非常有必要的。运用大型结构分析软件SAP2000的三维板壳单元进行建模,模型边界的荷载施加考虑了结构总体分析的真实受力工况,分析得到了一些双箱梁节段的三维屈曲模态及屈曲系数,并且提出了一些对结构设计有价值的建议。