悬索桥吊索尾流致振的气弹模型测振试验

为研究大跨度悬索桥吊索发生大幅风致振动机理,设计并制作了光滑双吊索试验模型,进行了尾流索股弹性悬挂测振风洞试验。试验工况包括顺风向X=2.5-11、横风向Y=0-4;测量了尾流索股在不同空间位置的运动响应规律,研究了结构阻尼比、来流风速等对尾流索股风致振动的影响规律。结果表明:在X≤5.25,Y≤1.5的空间范围内,尾流索股会发生大幅尾流致振,其振动形式包括两种类型:单自由度直线运动和双自由度椭圆运动,其稳定运动频率分别稍大于和小于结构固有频率。风速大小对尾流索股的运动规律有明显影响;阻尼比增大可增加起振风速,但对振幅大小影响不大。

四索股吊索尾流致振节段模型测振试验研究

为研究大跨度悬索桥四索股吊索尾流致振现象,针对钢丝绳吊索和平行钢丝吊索,分别制作表面粗糙和表面光滑的圆柱节段模型,并进行四索股吊索尾流致振节段模型测振风洞试验。试验测得不同雷诺数、风攻角下尾流索股的风致振动响应,研究其随风速的变化规律,分析发生大幅振动时的起振风速、振幅、运动轨迹、时程及振动频率,并研究了阻尼比对四索股吊索尾流致振的影响。研究结果表明:光滑和粗糙尾流圆柱发生尾流致振的最不利攻角均在70°左右,但光滑圆柱的起振风攻角范围更宽;在70°风攻角下,2类尾流圆柱的稳定振动轨迹均为顺时针椭圆,但光滑尾流圆柱发生尾流致振时的气动负刚度效应更加强烈;当阻尼比增大到0.67%时,可对粗糙圆柱的尾流致振起到很好的控制效果。

悬索桥吊索尾流致振非定常理论分析

为研究悬索桥吊索的尾流致振机理及准定常理论在尾流致振中的适用性,进行了一系列风洞试验,测量得到尾流索股的气动导数的空间分布情况,建立了尾流致振非定常理论分析模型,采用龙格-库塔法求解方程,得到尾流致振响应.结果表明:在5.2≤X≤5.6,1.1≤Y≤2.1的空间区域尾流索股发生明显振动,振动频率小于结构固有频率;在一个尾流致振周期内,气动刚度力对尾流索股做正功,说明尾流致振由气动刚度控制;基于准定常理论的计算结果与非定常理论计算结果偏差较小,两种理论得到的尾流致振机理一致.

杠杆式调谐质量阻尼器对双吊索尾流致振的减振优化

围绕双索股长吊索整体风致振动及其减振控制问题,开展了节段模型风洞试验和基于杠杆式调谐质量阻尼器的减振设计和试验研究。通过节段模型测振风洞试验,研究了悬索桥双圆柱索股的整体风致振动特性及其不稳定区间;推导了考虑自激力作用的吊索整体振动杠杆式调谐质量阻尼器最优设计参数,并分析了各参数对减振效果的影响;根据最优参数设计了杠杆式调谐质量阻尼器,进行了双吊索整体尾流致振的控制实验,验证了各参数对减振效果的影响。结果表明:双吊索在6°⁃10°风攻角区间发生了大幅风致振动;与基于简谐力外荷载作用的TMD优化相比,按基于自激力作用的运动方程进行TMD参数优化,能显著减少抑制尾流致振的TMD质量比;杠杆式调谐质量阻尼器能有效提高双吊索整体风致振动起振风速,阻尼器参数偏离会降低减振效果,其中频率偏差影响最为明显。

基于节段模型测振的钢丝绳吊索尾流致振试验研究

为研究大跨度悬索桥吊索发生大幅风致振动机理,设计并制作了外表粗糙的双圆柱试验模型,进行尾流索股弹性悬挂测振风洞试验。试验工况包括顺风向X=2.5~11、横风向Y=0~4;测量了尾流索股在不同空间位置的运动响应规律,研究了结构阻尼比、来流风速等对尾流索股风致振动的影响规律。结果表明:在X≤5、0.5<Y≤1.25的空间范围内,尾流索股会发生大幅尾流致振,其振动形式为双自由度椭圆运动,在尾流中心线下方运动方向为逆时针,且稳定运动频率小于结构固有频率。风速大小对尾流索股的运动规律有明显影响;增加结构阻尼比对抑制尾流致振的效果较弱,但对提高尾流致振起振风速有一定的效果。

有无桥塔干扰下悬索桥六索股吊索尾流致振对比试验研究

悬索桥吊索自身索股间的气动干扰以及桥塔的尾流扰动是造成吊索大幅振动的2种不同机理。然而,对于桥塔附近的多索股吊索,在不同来流风向下,2种振动机理均有可能会造成吊索大幅振动。为了比较2种机理下的吊索振动特性,从而更好地为吊索的振动控制提供参考,以深中通道伶仃洋大桥临近桥塔的六索股吊索为背景,采用三维气弹模型测振风洞试验方法,对比研究六索股吊索在有桥塔和无桥塔干扰下的振动特性,并分析包括分隔器、分隔器+增加吊索阻尼、分隔器+增加吊索阻尼+辅助索在内的多种措施对2种情况下的吊索振动的减振效果。结果表明:无桥塔干扰下,吊索发生大幅度振动时,主要表现为部分索股间低阶模态的相对振动,而有桥塔干扰时,吊索更多的表现为索股的低阶模态整体振动;无桥塔干扰下,采用分隔器+增加吊索阻尼的联合措施可以较好的控制吊索振动,但需要将吊索阻尼比增大至1.2%以上;在桥塔干扰下,仅加装分隔器可能会加剧吊索振动,分隔器+增加吊索阻尼、分隔器+增加吊索阻尼+辅助索的联合措施并不能完全抑制吊索振动。

基于三维气弹模型的悬索桥2类吊索尾流致振及其控制措施研究

大跨度悬索桥吊索频率低、阻尼小,极易在风荷载作用下发生大幅振动。为比较研究平行钢丝和钢丝绳2类吊索尾流致振特性的差异,以深中通道伶仃洋大桥四索股吊索为工程背景进行了系统的试验研究。首先,设计并制作了2类吊索的气弹模型,并进行了模型动力参数识别;然后,进行了2类吊索的气弹模型测振风洞试验,比较研究了风速和风攻角等参数对2类四索股吊索尾流致振的影响规律;最后,进行了多种抑振措施(包括分隔架、调谐质量阻尼器、辅助索和增加结构阻尼等)对上述2类四索股吊索风致振动的抑振效果研究。结果表明:2类吊索发生尾流致振的最不利攻角均为75°,并在多个工况下发生碰索现象,吊索主要为一阶振动,轨迹呈顺时针椭圆;相较于平行钢丝吊索,钢丝绳吊索发生尾流致振的风攻角范围更大;采用等间距3个分隔架可有效抑制吊索相对振动,在此基础上,增加辅助索措施可有效抑制吊索的整体振动。

桥塔尾流风作用下吊索尾流致振动模型与参数分析

现场实测表明,大跨度悬索桥塔后吊索受桥塔尾流影响常发生大幅尾流致振。为研究该振动机理,同时为工程设计和应用实践提供理论指导,以某大跨悬索桥桥塔单根塔柱和塔后吊索为研究对象,首先进行了大比例尺节段模型的风洞试验。通过试验,再现吊索在桥塔尾流区内的尾流致振现象,研究吊索的振动特征与桥塔尾流风速特征。在此基础上,考虑尾流刚度作用,建立吊索的非定常气动力模型与吊索尾流致运动微分方程。利用四阶龙格库塔算法积分求解吊索尾流致运动微分方程。影响吊索运动的参数分为3种类别:结构参数、流场参数和位置参数。通过对各影响参数进行逐个分析,研究不同参数对桥塔尾流区中吊索振动特征的影响规律。结果表明:质量比这一参数对于吊索的振动模式的组成和占比起到关键性作用;而其他参数对于吊索振幅仅起到调节作用,对于吊索运动模式改变作用不显著;增大吊索阻尼比与减小尾流场风速脉动成分均可有效减小吊索振动幅值,这为吊索减振工程实际问题提供了解决思路。

桥梁长索结构风致振动研究新进展

随着桥梁跨径的增大,桥梁索结构的长细比越来越大、频率越来越低,出现了一些新的风致振动问题,如悬索桥吊索风致振动、斜拉索高阶涡激共振、安装亮化灯具的桥梁索结构驰振等.针对这些新挑战,采用现场观测、风洞试验和理论分析等手段,研究人员进行了系统的机理研究,并提出了一些有效的振动控制措施.结果表明:悬索桥吊索风致振动的机理复杂,在斜拉索上积累的振动控制经验难以直接应用,安装刚性分隔架是抑制索股相对振动的有效手段;已在多座大跨径斜拉桥上观测到斜拉索高阶涡激共振,增加了斜拉索振动控制的难度,采用双阻尼器是可同时控制斜拉索高阶涡激共振和低阶风雨激振的有效方案;在桥梁索结构上安装亮化灯具极易引发驰振,增加阻尼器和优化灯具气动外形是避免该类振动的有效措施.

悬索桥并列双吊索整体风振特性与气动阻尼研究

通过并列耦合双吊索节段模型的整体测振与测力风洞试验,研究不同间距下双吊索的整体振动行为与气动阻尼特性。引入驰振气动阻尼非线性项的动力方程模型,得到非线性振动的近似解析方法。基于弹性悬挂节段模型动力响应识别出驰振非线性气动参数,并与经典单自由度驰振理论结果进行对比分析。研究结果表明:并列耦合双吊索在一定工况下会发生剧烈的整体尾流致振现象,结构阻尼比对其起振风速影响明显;经典驰振理论求得的气动负阻尼绝对值要小于识别得到的气动负阻尼绝对值,横、顺风向两自由度耦合失稳较单自由度驰振更易发生。

两类悬索桥吊索气动稳定性比较研究

大跨度悬索桥吊索常发生大幅风致振动,一种可能的机理为吊索索股间的尾流致振。为研究吊索表面粗糙度对其气动稳定性的影响,分别针对平行钢丝吊索和钢绞线吊索,制作表面光滑、粗糙索股模型,进行测力风洞试验,得到光滑和粗糙下游索股的平均气动力系数,在此基础上,依据Routh-Hurwitz稳定性判据,对平行钢丝吊索和钢绞线吊索的气动失稳区域进行比较研究。结果表明:平行钢丝吊索与钢绞线吊索的平均气动力系数空间分布特征存在较明显区别;两种吊索的不稳定区域整体上呈条带状,宽度约为1～2D,且平行钢丝吊索的失稳区域向中心线两边发散的比钢绞线吊索更为明显;在3≤X≤4区域,尾流吊索发生气动失稳可能性较大,特别是钢绞线吊索。

基于气弹模型风洞试验的柔性光伏支架气动稳定性及干扰效应研究

为完善柔性光伏支架气动稳定性及阵列气弹干扰效应的研究,通过一倾角可调的柔性光伏支架气弹模型进行风洞试验,研究了不同倾角、不同风向角、不同均匀紊流风场下单柔性光伏支架气动稳定性;在此基础上,通过改变风向角、光伏支架数量和光伏支架之间连接(有、无连接),对10°倾角下光伏支架干扰效应进行研究。结果表明:测试倾角中,10°倾角颤振稳定性最差;测试全风向角中,0°、15°和30°风向角结构颤振稳定性较差;紊流可以抑制光伏支架的颤振,但会增大光伏支架的抖振响应,在10°倾角、0°风向角工况下,紊流度从小于0.5%提高到5.0%、10.0%、15.0%的过程中,结构颤振临界风速分别提高2.92%、6.10%和28.38%,光伏支架的加速度响应(标准差)分别为均匀流场的1.78、4.56倍和6.12倍;阵列时,来流方向第2行受尾流影响最为剧烈,尾流的影响随着距离的增大逐渐减弱,影响区域大致在10~15 m范围内;根据阵列风振响应情况,将阵列划分为尾流区、过渡区和遮挡区;在阵列柔性光伏支架之间布置连接件会减弱阵列尾流区与遮挡区结构振动响应(结构加速度标准差最多减少了56.38%),但对于过渡区结构较为不利(结构加速度标准差增大了24.43%)。