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.

等截面高耸烟囱涡激共振时风荷载的风力作用研究

关于锁定区域范围的描述,不同参考文献存在显著的差异。同一类型地形结构发生涡激共振时,横向风向的等效风荷载在基本一致的情况下可能仍存在显著差异。依托实际工程案例,在分析锁定区及横风向等效风荷载的基础上对组合等效风荷载进行确定,结果发现,实例计算检查测试结果与规范之间存在较大差异。

流线型箱梁涡激共振响应模型尺寸效应

针对闭口流线型钢箱梁涡激共振响应风洞试验研究中存在的尺寸效应问题,依托广东南沙至中山高速公路洪奇门特大桥,采用风洞试验和计算流体动力学相结合的方法进行研究.首先分析了两种几何缩尺比下闭口流线型箱梁节段模型风洞试验中涡激共振响应的差异;然后,采用流固耦合数值模拟方法计算了不同缩尺比闭口流线型箱梁断面涡振响应.结果表明:闭口流线型钢箱梁涡激共振响应存在明显的模型尺寸效应,表现为常规比例(λ_(L)=1/60)主梁节段模型涡振振幅大于大比例(λ_(L)=1/30)主梁节段模型涡振振幅;二维数值模拟计算得到的涡激共振响应锁定风速区间、振幅与风洞试验结果吻合较好,验证了数值模拟方法的精度,同时也表明模型长宽比及试验阻塞率的差异不是闭口流线形箱梁涡激共振尺寸效应的主要影响因素;随着主梁断面模型缩尺比的增大,其涡激共振响应总体呈现下降趋势,且不同缩尺比下主梁断面静态绕流流场的涡脱频率分布存在显著差异.

大跨径悬索桥涡激共振试验研究

采用多阶涡激共振振幅相等的气弹模型风洞试验和多阶涡激共振振幅实桥验证大跨径悬索桥涡激共振规律,结论如下:大跨度钢箱梁悬索桥存在多个模态分别在不同风速下发生涡激共振的可能性,抗风研究中要检验高阶模态涡激共振;悬索桥各阶模态涡激共振振幅相等,模态加速度按频率比的平方增加;高阶模态涡激共振振幅小,因此要更加重视高阶模态涡激共振;悬索桥竖弯模态的固有阻尼低至0.2%~0.3%;对于全漂浮体系的悬索桥,塔梁之间连接阻尼器,可有效抑制多阶模态涡激共振;为实现各阶模态涡激共振的最优控制,有必要也有可能采用半主动控制。

等截面高耸烟囱涡激共振发生耦合过程研究

当烟筒受到风荷载时,振动会被激发,从而对周围气体产生影响或干扰。烟筒内部的气体-物理强度发生变化,导致气体、固体之间出现气固耦合,发生共振现象。其中,圆柱涡激振动是一种常见的典型气动耦合现象。结合实际工程案例,对涡激共振耦合过程中的气动力系数、振幅与风压之间的关系进行分析,探讨这些因素与涡激共振的关系。

开口截面斜拉桥涡激共振风洞试验及减振措施研究

对某大跨开口截面斜拉桥进行节段模型风洞试验,测试了主梁成桥状态的气动性能.试验结果表明,该桥主梁在设计风速范围内出现了明显的竖弯以及扭转涡激共振现象.参数化的试验研究表明,该桥的涡激共振现象在相当广泛的阻尼比范围内均存在,即使将竖弯以及扭转阻尼比提高到1%以上仍然存在明显的涡激共振现象,且振动幅值仍超过规范允许值.为了抑制主梁的涡激共振,通过风洞试验设计了有效的气动措施减振方案.测试表明,所采用的减振措施能有效地消除该桥涡激共振的发生.

缆索承重桥梁桥塔自立状态涡激共振及其控制

在建的某大跨度悬索桥位处东南沿海,桥塔施工时期处于台风多发期,设计风速较高.对比其他同类型的桥塔,该桥桥塔发生涡振的可能性较大,有必要在初设计阶段评价桥塔涡振性能,并考虑采取有针对性的涡振控制措施.通过裸塔气动弹性模型风洞试验,分析了桥塔在多种工况中的涡振响应特点,表明涡振效应不容忽略.比较了气动措施、机械措施以及桥塔动力特性形态和风环境因素对于涡振响应的影响.

调质阻尼器（TMD）对桥梁涡激共振的抑制

分析了安装在柔性桥梁主梁跨中的调质阻尼器（ＴＭＤ）对涡激共振的抑制阻尼效果．分析中采用了Ｓｃａｎｌａｎ提出的销定（Ｌｏｃｋ－ｉｎ）区域的半经验和半解析非线性气动力模型．此外还对ＴＭＤ对涡激共振的阻尼效果进行了参数优化分析，给出了ＴＭＤ参数最优计算公式．

扁平箱梁涡激共振阻塞效应及振幅修正

风洞试验是涡激振动研究最为重要的手段之一。由于风洞尺寸的限制,涡激共振试验中存在一定的阻塞效应,然而已有关于涡激振动阻塞比效应的研究较为少见。数值风洞模拟方法可以自定义尺寸大小,从而避免实际风洞尺寸的限制。该文采用数值风洞方法,针对大跨度桥梁扁平箱梁,在阻塞比为1%、2.5%、3.89%、5%和8.75%下进行了竖向涡激共振分析,主要研究阻塞效应对扁平箱梁的气动力、涡激力及其分量、涡振振幅和流场等的影响。结果表明:随着阻塞比的增大,扁平箱梁的静力三分力系数、涡激升力、涡振振幅和受箱梁影响的流场范围均增大;涡激升力各分量的变化趋势各不相同,其中做正功的线性气动阻尼力先略减小后增大,做负功的非线性气动阻尼力持续减小;在2.5%阻塞比以内,上述各项的变化幅度几乎都在5%以内。最后,基于数值结果,该文给出了扁平箱梁涡振振幅的阻塞效应修正系数。

准流线型桥梁断面涡激共振的雷诺数效应

为了研究准流线型桥梁断面涡激共振的雷诺数效应,通过改变模型尺度实现雷诺数的改变,并在模型表面布置测压点,进行风洞试验。测量了大、小2种模型风速与振幅的关系及各测点的风压时程,分析了振动频谱、扭矩系数时程及各测点脉动压力频谱随雷诺数的变化规律,揭示了扭转涡激振动的雷诺数效应。研究结果表明,脉动压力频谱的雷诺数效应引起了扭矩系数时程的雷诺数效应,从而引发振动频谱的雷诺数效应,最终导致了流线型桥梁断面扭转涡激振动的雷诺数效应。

基于新奇检测技术的桥梁涡激共振自动识别研究

大跨桥梁健康监测系统记录了多座桥梁主梁涡激共振事件,实测数据为涡激共振研究提供了资料,在线判别涡激共振也是实现涡振半主动控制的前提条件。针对如何从在线健康监测数据中自动识别涡激共振信号的问题,提出了应用基于BP神经网络的新奇检测技术进行涡激共振自动识别方法。根据主梁涡激共振和环境振动在各频段归一化功率谱能量分布特征存在显著差别的特征,以环境振动作为正常状态,建立基于神经网络的新奇检测技术模型。当发生涡激共振时,结构振动发生状态异常,识别出涡激共振。通过数值仿真对所提方法进行了验证,并采用该方法对西堠门大桥健康监测系统实测海量数据进行了涡激共振识别。研究结果表明:所提方法能有效自动识别出涡激共振信号。

深海立管涡激共振疲劳寿命简化计算方法

针对深海顶端张紧式立管固有的特点,采用解析与经验公式相结合的方法建立了海洋立管涡激振动下疲劳寿命的简化预报模型,该模型能充分计及轴向张力对振型的变化以及对疲劳寿命的影响,通过实例计算指出了深海立管涡激振动诱发疲劳破坏的危险区域,并讨论了流速对疲劳寿命的影响。该模型形式简洁、计算量少,适合对深海立管等细长挠性受拉构件的疲劳寿命进行初步校核计算。

桥梁节段与实桥涡激共振幅值的换算关系

涡激共振是大跨桥梁最易出现的一种风振现象,其研究手段以节段模型风洞试验为主。节段模型涡振振幅与实桥涡振振幅如何转换,目前我国《公路桥梁抗风设计规范》缺少相关说明。本文首先介绍了桥梁涡激共振时三种涡振力理论模型的特点,包括线性模型、非线性模型以及修正的非线性模型。根据输入能量相等则振幅相等的原理推导了主梁等效质量与涡振振型函数的关系。在此基础上,提出了不同涡振力理论模型下节段模型涡振振幅与实桥最大涡振振幅的换算关系。研究表明,影响该换算关系的主要因素有两方面,一是主梁发生涡振时的振型,二是所采用的涡振力理论模型。采用日本规范值或有关文献根据线性模型所得的换算关系所计算的实桥最大振幅将明显大于基于非线性涡振力模型推算的实桥最大振幅。

桥梁结构涡激共振的敏感性

2020年5月5日虎门大桥因施工临时架设水马产生了风致涡激共振(简称为涡振)现象,引发了社会舆论强烈关注。本文从涡振机理出发,讨论了桥梁主梁产生的涡振敏感性,依次阐述了涡振对桥梁主梁附属构件中的导流板、抑流板、检修轨道、栏杆、拉索等参数的响应程度,由此证实小尺度的水马也能造成虎门大桥大幅振动的潜在可能性。同时,介绍和探讨了结构阻尼比、来流攻角、湍流度与来流风速对涡振的影响,给出了相关桥梁阻尼比随时间变化的实际观测数据。分析得出多座桥梁结构发生涡振的原因与涡振自身的强敏感性密切相关。深入探讨了利用桥梁涡振控制与发电等装置,可以在对涡振进行安全控制的同时,实现能量的合理开发利用。

上海长江大桥车桥系统节段模型涡激共振试验研究

涡激共振通常都在低风速发生,且涡激共振对断面形式的微小变化很敏感,因此有必要研究车辆对车桥系统涡激共振性能的影响。以上海长江大桥为背景,在同济大学土木工程防灾国家重点实验室TJ-1边界层风洞中进行了1∶60缩尺模型试验,开展了桥面无车状态、桥面有车状态下的两种断面形式以及0°、+3°和-3°三种风攻角共6个试验工况节段模型涡激共振试验研究,并将模型试验结果经过振型修正换算到实桥。试验结果表明:桥面有车状态下的竖弯涡振和扭转涡振中分别伴有相同频率的扭转振动和竖弯振动;桥面有车状态的竖弯涡振和扭转涡振幅值明显比桥面无车状态大;桥面有车状态下的涡振锁定风速区间比桥面无车状态下提前。可见车辆明显改变了主梁的气动外形,且无论从振幅还是振动形态方面考虑,车辆对车桥系统的涡激共振影响是不可忽视的。

新型大跨度自锚式悬索桥节段模型涡激共振对比研究

以我国东南沿海台风多发区2座大跨度自锚式悬索桥为工程背景,运用节段模型风洞试验技术,采用1∶80加劲梁节段模型研究了2座桥的涡激共振响应,包括-5°、-3°、0°、+3°、+5°五种风攻角,2种不同施工状态的共20个试验工况,综合分析了大跨度自锚式悬索桥在无任何附加措施情况下抵抗涡激振动的性能。

大型斜拉桥圆柱形桥塔涡激共振的控制

为了研究大形斜拉桥圆柱形桥塔的涡激共振特性,并且对其进行有效的控制,通过分析大形斜拉桥圆柱型桥塔的边界条件特点,建立桥塔计算模型,基于此模型分析了桥塔的固有特性;由风致涡激振动理论及有关空气动力学原理确定漩涡发放频率以及升力幅值;考虑桥塔的形状结构特点以及发生共振时的频率锁定现象确定锁定区域;提出了5个控制桥塔涡激共振的方案,理论分析和数值计算结果表明:方案5——改变锁定区域结构形式,不仅能够使桥塔避免或减弱涡激共振,与其他4个方案相比,该方案在造价和施工方面具有明显的优势,同时增加附属结构不会影响桥梁其他的相关结构,因此确定方案5——改变锁定区域结构形式为最佳控制方案。

基于非线性理论的海底管跨涡激共振可靠性研究

管跨的涡激振动是引发管跨发生共振失效和疲劳失效的主要因素之一 ,也是对管跨进行可靠性设计、可靠性评估工作所要解决的主要问题。针对由涡激振动引发的海底管跨共振失效和疲劳失效两种主要失效形式 ,基于非线性动力学理论、随机过程理论和可靠性分析理论 ,建立了更为符合海底管线实际工况的共振失效和疲劳失效的可靠性分析方法。

桥梁涡激共振试验节段模型质量系统模拟与振幅修正方法

节段模型风洞试验是研究涡激共振风速锁定范围和最大振动幅值的一种重要手段。基于一个具有自激特性的经验线性涡激力模型,从涡激共振微分方程出发,推导了涡激共振试验节段模型质量系统模拟公式,并建立了相应的模型与实桥之间涡激共振幅值的换算关系,给出了涡激共振幅值的振型修正系数和阻尼修正系数公式。由此,通过合理的质量系统模拟和响应幅值换算,可在二维的涡激共振节段模型试验中考虑实桥的结构和振动的三维特性的影响。

水平轴风力机塔筒涡激共振疲劳分析

利用梁单元对水平轴风力机塔筒进行有限元离散建模,基于塔筒不同安装状态时的固有频率和振型计算,分析了塔筒涡激共振,计算了发生涡激共振时临界风速下的塔筒最大振幅和惯性力。以某3.0MW风力机塔筒为例,利用名义应力法计算涡激共振产生的塔筒惯性力矩和疲劳损伤,分析了需要避免的塔筒安装状态。结果表明,本文计算模型简便有效,能较快地预测涡激共振对塔筒疲劳特性的影响,从而为风电机组塔筒设计和安全吊装提供了理论依据。