大跨度铁路桥附属构件对不同宽高比矩形断面涡振性能的影响

在已建成的大跨度鳊鱼洲长江大桥原设计宽高比为6.7∶1的四线铁路桥矩形箱型主梁断面的基础上,通过调整断面宽高比,设计宽高比为4∶1的二线铁路和宽高比为9∶1的六线铁路桥矩形箱梁断面。通过节段模型风洞试验,在0°,±3°和±5°风攻角的均匀来流下,对以上3种常用二线、四线和六线铁路桥矩形箱梁断面与对应相同宽高比纯矩形断面之间的涡振特性关系,以及铁路桥附属构件对不同宽高比矩形断面涡振性能的影响进行研究。结果表明:在宽高比分别为4∶1和6.7∶1的矩形断面上布置铁路桥附属构件能增大断面在负风攻角下的涡振振幅,在-5°风攻角下竖向涡振振幅增大率高达277.5%,但对正风攻角下的涡振响应起到一定的抑制作用,而在宽高比为9∶1的矩形断面布置六线铁路桥附属构件则能明显增大该断面在各风攻角下的涡振振幅,其扭转涡振振幅增大率均在48.3%以上;铁路桥附属构件对矩形断面涡振性能的降低作用随着断面宽高比的增大而提升,针对气动外形较钝的二线和四线铁路桥箱梁,可参考相似宽高比矩形断面涡振特性,并重点考察箱梁在负风攻角下的涡振响应,而针对宽高比较大的六线铁路桥箱梁,由于附属构件影响较大,参考相似宽高比矩形断面涡振特性的意义较小,均应详细研究其在各风攻角下的涡振性能。

矩形断面地槽在毛俊水库灌区工程中的应用

灌区工程中傍山明渠梯形渠道如遇山体坡度较陡,常常会出现需要进行较大开挖的情况,如改成矩形断面地槽,则可大量减少开挖,且槽身整体性好,占地少,故毛俊水库工程灌区工程中,有部分傍山渠道采用了地槽形式。在输水建筑物之间的连接段也多采用与建筑物(渡槽、隧洞等)等净宽的地槽形式,可减少渐变段水头损失。文章介绍了矩形断面地槽在灌区工程中的适用情况及计算方法,并以毛俊水库工程灌区工程为实例,举例说明了不同形式护砌方法在同一工程段的优缺点及相应造价,可为类似地形地质条件的灌区工程设计提供参考。

串列双矩形断面涡振特性与机理试验研究

为研究串列双矩形断面涡振特性规律及其发生机理,采用刚性模型同步测振测压风洞试验的方法,测试并分析了宽厚比为4∶1的双矩形断面在不同间距比下的涡振响应与表面风压分布特性。同时,对比了单矩形断面的试验结果,以便分析两者之间的差异。在间距比D/B(双矩形断面的净间距与单矩形断面的宽度之比)的变化范围为0.1~6.0的工况下进行了研究。研究结果表明:由于串列双矩形断面之间发生明显涡振现象,迎风侧断面的涡振响应得到了显著增强,而背风侧断面的涡振响应则受到了明显抑制,特别是在D/B=0.4时,迎风侧断面的涡振最为明显,最大振幅是单矩形断面的1.7倍,涡振区间长度是单矩形断面的1.2倍;当D/B=0.4时,表面压力脉动在迎风侧断面下游区域表现最为显著,导致局部气动力与总体气动力之间的相关性增强,进而引起了最大涡振振幅。

超大类矩形断面复合顶管施工力学性能研究

依托上海轨道交通14号线静安寺站工程,介绍了超大类矩形断面钢-混凝土复合顶管的结构构造、加工制作与施工监测方案,重点分析应力监测数据并结合数模结果揭示了管节在顶进及后续施工中的受力性能,以此来研究大埋深软土地层中新型超大断面顶管的施工力学特性.结果表明:对于顶管中的任一管节,钢板与纵向肋板的应力在该管节顶进初期与全钢管顶推完成时出现较大波动,而中间段基本稳定在某一数值,且钢板轴向受力相比环向受力对管节纠偏更敏感;同一顶管不同管节在施工过程中的应力和位移分布一致:应力分布较为均匀,峰值应力位于顶推面拐角附近;变形趋势为竖向内凹、横向小幅外凸,峰值形变位于竖向跨中;管节峰值应力随顶管推进逐步增大,但均未超过弹性极限,峰值形变保持稳定;钢板的环向应力由水土压力控制,应力分布为上部受拉、左右受压,轴向应力由顶推力控制,其中竖直方向上的轴向应力也受管节竖向偏转和外壁环向荷载的影响;纵向肋板的轴向应力在水平方向上由顶推力控制,在竖直方向上由外壁环向荷载控制;后续施工过程中,顶管受力相对稳定.影响范围方面:注浆加固对钢板和纵向肋板的受力均有较大影响;管节环向焊接主要对钢板的环向与轴向受力有较大影响;钢筋绑扎和混凝土浇筑仅对钢板的环向受力有较大影响.

宽厚比为2:1的圆角矩形断面气动特性的雷诺数效应试验研究

矩形断面在实际工程中应用广泛,对其角部进行圆角化处理可有效减小风荷载并改善风致振动性能,然而圆角矩形断面的气动特性存在明显的雷诺数效应。为研究宽厚比为2:1的圆角矩形断面气动特性的雷诺数效应,减小在这类断面结构的风荷载和风致振动分析中因雷诺数原因引起的误差,对5种不同圆角率(0.1、0.2、0.3、0.4和0.5)的刚性模型进行了测压风洞试验,试验雷诺数范围为0.8×10^(5)~3.6×10^(5)。通过风洞试验得到并分析了不同圆角率矩形断面的平均阻力系数、平均风压系数和斯特罗哈数随雷诺数的变化规律,并与标准矩形断面进行对比。研究结果表明:不同于标准矩形断面,5种圆角矩形断面的气动特性均表现了一定的雷诺数效应,这种雷诺数效应随圆角率的增大先增强后减弱,当圆角率为0.2时最强,其在雷诺数为2.8×10^(5)时发生了明显跳跃;不同圆角矩形断面的平均阻力系数均随雷诺数的增加而减小。与其它位置相比,圆角矩形断面侧面和圆角位置处的风压系数受雷诺数影响更明显,其中圆角位置处最为显著。圆角矩形断面的斯特罗哈数在圆角率为0.1时基本稳定在0.22左右,圆角率为0.2时在跳跃前后分别在0.24和0.31附近,在其它圆角率时则随雷诺数的增加先增大后稳定。

基于DMD方法的矩形断面涡振模态分析

为探究涡激振动下,矩形断面绕流场的模态演化规律及涡振发生机理,基于雷诺平均SST k-ω模型对宽高比为5∶1的矩形断面的涡激振动进行了二维数值模拟研究.通过CFD/CSD交错迭代求解,结合动网格技术实现了二维流固耦合计算,并与风洞试验结果进行对比分析,验证了数值计算的准确性.随后,对流场的瞬时状态进行可视化分析,以z方向涡量值为基本物理量,基于动力学模态分解(DMD)方法对其静态与涡振态流场模态进行了对比分析.结果表明:在涡振发展的不同阶段,主导流场的模态频率不同,主模态频率会由静态涡脱频率向结构固有频率转变,此主模态的转变表征了流固耦合的内在机制;与静态矩形相比,涡振态矩形由于运动诱导涡的存在,导致其前缘涡与尾缘涡的相位差减小,前缘涡与尾涡而合并时前缘涡占据主导,使得在尾缘脱落的Karman涡相关性减弱,形成了涡振锁频现象.

宽高比5∶1矩形断面涡激振动锁定区间内涡激力展向相关性分析

涡激力展向相关性是准确预测三维柔性结构涡激振动振幅的重要因素。以宽高比5∶1矩形断面为例,通过气动力展向相关函数理论建模和节段模型弹性悬挂测振、测压风洞试验,研究了涡激振动锁定区间内实测气动力展向相关性变化规律。研究结果表明:在涡激振动锁定区间内,实测气动力由完全相关的自激力和不完全相关的随机气动力组成,展向相关性可以用指数加常数型函数描述,指数项系数为随机气动力占实测气动力的能量比,指数项系数和常数之和等于1;实测气动升力均方根在涡振起振阶段最大,随着风速增大反而减小,随机气动力均方根基本保持不变,由此导致实测气动力展向相关性表现为起振阶段最强,随着风速增加而减弱。

盾构顶管刀盘矩形断面切削率探究

该文针对矩形盾构顶管用刀盘断面切削率进行研究,构建了刀盘面特征点轨迹数学模型,应用LISP语言对其轨迹参数化设计进行编程,获得了合适的刀盘外周行星齿轮半径比η值,并基于该程序探讨行星齿轮大小径比ξ、内齿圈半径和长方形高之比R/a与断面切削率等的相互关系。在正方形断面中,如果仅考虑高的断面切削率,宜选择莱洛三角形单刀盘(ξ=4/3面板式);如果同时考虑较高的断面切削率和较低的刀盘面积率,宜选择双圆弧形单刀盘(ξ=2面板式)。在矩形断面中,为获得较高的断面切削率,宜将矩形宽高比控制在0.7~1.4。

均匀风场中串列双矩形断面气动力干扰的数值研究

数值研究了均匀风场中串列双矩形断面气动力的相互干扰,讨论了这种干扰与断面间距的关系。结果表明:上游断面的阻力系数均值对干扰效应不敏感;与单矩形断面相比,下游断面的阻力系数均值降低很多;上下游两断面的阻力系数和升力系数的根方差值与断面的间距有密切的关系。

宽高比为4的矩形断面涡激振动响应数值模拟

采用二维雷诺平均(RANS)SST k-ω湍流模型求解不可压缩粘性流体N-S方程,并将Newmark-β法代码嵌入Fluent UDF(用户自定义函数)中以求解结构振动响应,结合动网格技术对宽高比为4的矩形断面涡激振动响应进行了数值模拟。研究结果显示:宽高比为4的矩形断面涡激振动"锁定"区间以及涡激振动响应振幅的数值模拟结果与已有文献风洞试验结果吻合较好;表明采用该方法进行具有分离、再附现象的钝体断面涡激振动是可行的。

连铸直接成形矩形断面铜包铝复合材料界面及其在轧制中的变化

采用水平连铸直接复合成形工艺,制备断面尺寸为50 mm×30 mm、铜包覆层厚度为3 mm的铜包铝复合棒材,并分别采用拉剪试验、XRD、SEM、EDS和EPMA等对铸棒界面的结合强度、形貌和组成进行表征。结果表明:铜包铝复合铸棒界面层的主要组成为CuAl2和Cu9Al4,在近铜侧由平面状Cu9Al4(Ⅰ区)和CuAl2胞晶(Ⅱ区)两区组成;在近铝侧为α(Al)+CuAl2共晶组织(Ⅲ区)。在铸棒横断面上不同位置的界面层结构相同,但界面总厚度不均匀,上部厚度最大,达到220μm,且CuAl2胞晶组织较发达;侧部厚度最小,约为110μm;下部厚度为150μm。界面层总厚度,特别是Ⅱ区CuAl2胞晶层厚度对界面剪切强度有显著影响,因而横断面上部的界面剪切强度较低,为24.7 MPa;侧部和下部的界面剪切强度接近,分别为35.6和33.4 MPa。XRD和断口分析表明,界面分离发生在界面层的Ⅰ区和Ⅱ区内。在后续轧制加工过程中,界面层发生断裂而破碎,其破碎程度随变形程度的增加而增加;当压下率达到67.7%以上时,形成大量纯铜和纯铝直接接触无明显扩散的结合界面,原界面化合物层破碎为尺寸较小的碎片沿界面不连续分布。

钝体矩形断面绕流场机理与主分量分析

为研究钝体矩形断面的绕流场特征和气动特性,针对宽高比为4的矩形断面,基于雷诺时均N-S方程和SSTk-ω湍流模型开展了断面绕流场非定常CFD模拟,得到了与其它文献报道一致的断面阻力系数、涡脱St数、上下面压力平均值和脉动值分布、平均涡脱位置和再附长度.对表面脉动压力时程的主分量分析表明,第一主分量与压力脉动RMS分布一致,能反映表面不同位置的脉动压力强弱和整体分布特征.基于上下面第一阶主分量形状,可确定其分离剪切流中主漩涡的脱落位置.基于第一阶主分量系数,可获得矩形断面绕流的涡脱频率.矩形断面上下表面的主漩涡脱落主导了上下表面的压力脉动特征.

矩形断面铜包铝复合材料的水平连铸直接复合成形

制备断面尺寸为50mm×30mm、铜包覆层厚度为3mm的矩形断面铜包铝复合材料，研究结晶器长度、拉坯速度、芯管长度和一次冷却水流量对矩形断面铜包铝复合材料水平连铸直接复合成形过程的影响。结果表明：当连铸结晶器长度为150mm、芯管长度为125mm时，较为合理的拉坯速度范围为75-90mm／min；当拉坯速度过慢时，铝液的填充不连续，导致芯部铝的收缩或冷隔等缺陷；当拉坯速度过快时，铜铝界面反应严重；当拉坯速度为75mm／min时，合理的一次冷却水流量为700L／h，一次冷却水流量大于1000L／h导致铝液填充不连续，一次冷却水流量小于400L／h则导致铜铝界面反应加剧。通过检测芯管出口位置处的石墨内衬温度变化可有效监控铝液的填充行为以及连铸过程的稳定性。

矩形断面压力管道汇流口局部能量损失

采用水动力学基本理论,对矩形断面有压管道汇流口的水力特性进行分析研究,提出收缩系数及局部能量损失系数的综合表达式,并与试验结果进行了比较。研究结果表明:正确描述管道汇流口水流特性,必须考虑主管和支管的面积、流量的相对大小和交汇角的影响;局部能量损失随流量比增大而增大,随面积比增大而减小,随交汇角增大而增大。

矩形断面明渠均匀流水力计算的直接计算公式

【目的】寻求矩形断面明渠均匀流水深和渠道底宽的直接计算公式。【方法】通过对矩形断面明渠均匀流水力计算公式进行恒等变形,推导出计算矩形明渠均匀流水深和渠道底宽的迭代公式,再与合理的迭代初值配合使用。【结果】得到矩形明渠均匀流水深和渠道底宽的直接计算公式,误差分析及实例计算表明,在工程常用范围内,矩形均匀流水深和渠道底宽的最大相对误差均小于0.2%。【结论】该公式形式简捷,计算精度高,能满足工程实践要求。

矩形断面收缩水深的直接计算方法

矩形断面收缩水深的计算需求解高次隐函数方程,理论上无解析解,传统的图解法或者试算法计算过程复杂,费时费力。通过对矩形断面收缩水深的基本方程进行恒等变形,得到快速收敛的迭代公式;再与合理的迭代初值配合使用,得到矩形断面收缩水深的直接计算公式。误差分析及实例计算表明,在工程常用范围内,收缩水深的最大相对误差仅为0.28%,直接计算公式形式简捷、精度高、适用范围广。

矩形断面巷道冲击地压机理研究

基于顶板剪切梁模型研究矩形巷道冲击地压发生问题,得到矩形断面巷道发生冲击地压的临界塑性软化区深度和临界载荷,分析巷道宽度、巷道高度或煤层厚度、顶板厚度等几何因素,以及煤层与顶板刚度比、煤的模量比、煤的强度参数、侧压力系数和水平应力分布指数等煤岩力学性质因素对临界条件的影响规律。结果表明：巷道顶板岩层以剪切变形破坏为主,当临界塑性区深度与临界载荷较小时,易于发生冲击地压,其发生频度较高,强度较小,破坏性较小;反之,冲击地压不易发生,其发生频度较低,一旦发生其强度会较大,破坏性较大。临界塑性区深度与巷道宽高比、初始黏聚力的大小无关,随顶板厚度、刚度比、模量比、水平应力分布指数的增加而增大,随煤层塑性软化刚度、内摩擦角、侧压力系数的增加而减小。临界载荷随巷道宽高比、煤层塑性软化刚度、水平应力分布指数的增加而降低,随顶板厚度、刚度比、模量比、初始黏聚力、内摩擦角、侧压力系数的增加而增大。

矩形断面主梁涡激振动气动力展向相关性试验研究

桥梁主梁结构涡激振动具有三维特性,主梁涡激力沿展向并不完全同步。在均匀流场条件下针对宽高比为5的矩形断面主梁分别进行了振动状态和静止状态风洞试验,对其气动力、尾流风速、表面压力展向相关性等进行研究。结果表明:振动状态矩形断面主梁气动力展向相关系数比静止状态大,涡振锁定区内升力系数相关系数最大值位于锁定区间上升段而非振幅最大处。振动状态矩形断面主梁尾流区顺风向及竖向脉动风速展向相关系数小于其气动力展向相关系数;静止状态矩形断面主梁尾流区顺风向脉动风速和竖向脉动风速展向相关系数沿展向距离呈指数衰减,且不同风速下对应的衰减曲线比较接近。

受侧壁影响的矩形断面流速分布公式研究

在前人研究的基础上,采用阻力叠加方法,考虑侧壁影响,利用边壁和河底切应力与水力半径的加权推导出矩形断面二元流速分布公式。初步计算分析成果与模型试验检验表明,所建立的公式能较好地反映不同程度的侧壁影响,在计算边壁流速和底部附近流速时较以前的公式有很大进步。

矩形断面铜包铝轧制成形有限元数值模拟

采用有限元数值模拟方法,研究了矩形断面铜包铝复合铸坯轧制成形铜包铝扁排时的金属变形和流动规律,以及工艺参数对宽展率和铜层厚度比的影响。结果表明,变形区宽面铜层在压下方向主要为压应力状态,而在轧制方向主要为拉应力状态。变形区窄面铜层在压下方向主要为压应力状态,但存在局部拉应力区,在轧制方向主要为拉应力状态。窄面铜层的双向拉应力是导致该位置易发生开裂的主要原因。在所研究的轧制工艺参数中,单道次相对压下率对轧制宽展率和铜层厚度比的影响最大,而采用较大的轧辊直径不仅可以获得较大宽展,而且对铜层厚度比的影响较小,因而铜包铝复合棒坯轧制时,宜采用较大的轧辊直径,并合理控制轧制的道次压下率。通过实验验证,数值模拟的计算精度可满足工程要求。