"小蛮腰"造型 可抵抗17级台风 黄茅海大桥解决强台风下桥梁颤振稳定性问题

近日,随着最后一榀钢箱梁焊接完成,黄茅海大桥成功合龙,标志着连接广东江门和珠海两市的黄茅海跨海通道全线贯通。项目计划于202i4年年底建成通车,届时从珠海驾车到江门的时间将由现在的1h缩短到30mn。作为世界上跨径最大的三塔斜拉桥,黄茅海大桥在建设中突破了多个技术难关,其中超级台风挑战、消除涡振现象,以及异形索塔施工难度大、设计施工必须精准无误这两大技术难关的突破,展现了中国桥梁建设的实力。

挑臂长度对钢桁梁颤振稳定性的影响

基于数值模拟方法研究挑臂长度对钢桁梁悬索桥的颤振稳定性影响.通过风洞试验测试不同攻角下某悬索桥钢桁梁原设计断面(挑臂长度L为0.947 m)的颤振稳定性,并与CFD结果对比,验证了数值方法的可靠性.然后对同一折减风速下单个周期气动力输入的能量值大小以及流场的演变规律进行研究,得到不同的挑臂长度(0.0L,0.5L,1.0L,1.5L)对钢桁梁颤振稳定性的影响.结果表明:正攻角下,挑臂长度对钢桁梁的颤振稳定性影响不明显,而0°攻角及负攻角下,挑臂长度为1.5L的钢桁梁断面颤振稳定性显著优于其他工况.0°攻角钢桁梁上表面旋涡的运动导致的压强变化以及下表面迎风侧压力值的变化成为气动力的主导因素,气动力方向与钢桁梁运动方向相同,促进扭转振动发散,而增大挑臂的长度削弱了上表面旋涡的尺度,并在挑臂处形成了强度大小相对稳定的压强区.负攻角钢桁梁上表面无明显旋涡,下表面旋涡的演变及压力变化成为颤振发散的主导因素,增加挑臂能削弱下表面旋涡的尺度和强度,并在迎风侧挑臂的下表面处持续形成稳定的负压区,气动力输入的能量值为负.

“I”形和“T”形箱梁气动力和颤振稳定性研究

位于强台风区域的桥梁抗风分析是结构安全保障的一个重要步骤,而桥梁主梁外形会对其气动力和颤振稳定性产生较大影响。新津河五塔斜拉桥位于中国南部沿海地区-汕北,其主梁断面是在典型斜腹板箱梁(简称“T”形箱梁)的下腹两侧分别增加了悬挑板(简称“I”形箱梁)以作为人行和非机动车道,目前对此类主梁的气动性能研究较少。因此,基于CFD进行“T”形和“I”形2种悬挑翼板箱梁的数值模拟计算,比较分析2种形状箱梁在不同攻角下的三分力系数、压力分布特性和升力系数功率谱,为抖振分析和涡振评价提供支撑。同时,基于Scanlan颤振自激力模型,运用fluent动网格技术和强迫振动法,并通过最小二乘法识别2种主梁断面的8个颤振导数,然后基于Scanlan二维颤振理论获得了2种主梁截面的颤振临界风速。结果表明:“I”和“T”截面的阻力系数随攻角变化较小,整体上后者略大于前者。“T”截面升力系数和扭矩系数均小于“I”截面,且“T”截面升力系数1阶导数小于“I”截面,而扭矩系数斜率差别不大;小风攻角下,“I”形和“T”形箱梁的St分别为0.2和0.12,可见“I”形箱梁发生涡振的风速低于“T”形箱梁;“I”形箱梁比“T”形箱梁的颤振临界风速提高5%~25%,展现了更优越的颤振稳定性能,“T”断面桥梁在达到颤振临界风速后会出现单自由度扭转颤振现象。

改善斜风下悬索桥施工期颤振稳定性措施研究

为确保斜风下大跨度悬索桥施工期的颤振稳定性,结合润扬长江大桥南汊悬索桥,采用斜风下大跨度桥梁三维精细化颤振分析程序,分析斜风下加劲梁由跨中至两侧桥塔对称架设过程颤振稳定性的变化规律,指出斜风下悬索桥颤振稳定性薄弱的施工阶段。在此基础上,提出并分析主梁由两侧桥塔至跨中对称架设和由跨中至两侧桥塔非对称架设两种方法对提高斜风下悬索桥施工期颤振稳定性的有效性,探索适宜的悬索桥主梁架设方法。研究结果表明:斜风作用会显著降低施工期悬索桥的颤振稳定性;主梁采用由跨中至桥塔方向拼装时,架设初期(拼装率小于20%)和中后期(拼装率为40%~80%)是悬索桥施工面临的两个颤振稳定性低谷期;主梁采用由两侧桥塔至跨中对称架设方法能显著提高主梁架设初期的颤振稳定性,而且整个施工期的颤振稳定性基本都能满足要求,总体平均增幅为34.2%;主梁由跨中至两侧桥塔非对称架设时,颤振临界风速并非随着偏心率增大而单调递增,呈现出先增大后降低的趋势,并在8.6%偏心率下达到峰值,在最优偏心率下施工全过程的颤振稳定性相比对称架设方法有显著提升,总体平均增幅为14.5%;从颤振稳定性角度而言,加劲梁采用由两侧桥塔至跨中对称架设方法最好,其次为跨中至两侧桥塔的非对称架设方法,传统的跨中至两侧桥塔对称架设方法最差。

斜风作用下三塔悬索桥颤振稳定性研究

为了解斜风作用下三塔悬索桥的颤振稳定性,采用考虑静风作用和全模态耦合等因素的斜风作用下大跨度桥梁三维精细化颤振分析程序,对一座三塔悬索桥——泰州长江大桥开展了斜风下成桥和施工状态的颤振分析,探明了斜风和静风作用对三塔悬索桥颤振稳定性的影响。研究结果表明:三塔悬索桥成桥和施工状态的颤振临界风速随风偏角增大而起伏变化,且大多在斜风下达到最低值;斜风和静风作用均会明显降低三塔悬索桥成桥和施工状态的颤振稳定性,而斜风和静风的综合作用则会进一步劣化其颤振稳定性;斜风和静风作用基本不改变主梁架设过程颤振稳定性的演变规律,相较于成桥状态,斜风和静风作用进一步降低了主梁架设期三塔悬索桥的颤振稳定性,影响更显著。因此,三塔悬索桥颤振分析时须准确考虑斜风和静风作用的不利影响。

悬索桥钢桁加劲梁在斜风作用下颤振稳定性试验研究

传统大跨度桥梁颤振分析中往往忽略了自然风向与桥跨方向存在一定偏角,进而降低桥梁抗风要求,导致设计偏不安全,因此以某钢桁架加劲梁悬索桥为工程背景,开展斜风作用下的钢桁加劲梁颤振稳定性及气动性能研究。通过开展主梁节段模型风洞试验,研究风偏角变化对桁架加劲梁悬索桥颤振稳定性的影响,提出相应的气动控制措施,并开展颤振控制效果影响分析,研究结果表明:桥面中央开槽与封槽模型和设置稳定板的桥面开槽和封槽模型,最低颤振临界风速一般均在+3°风攻角、5°风偏角时出现;在+3°最不利风攻角时,设置稳定板的开槽断面,颤振临界风速随风偏角的增加呈先降低后增加的趋势,设置双层翼板的开槽断面颤振临界风速随风偏角增加而增加;斜风作用使颤振临界风速下降的幅度受稳定板高度影响较大;上稳定板对开槽断面的颤振控制效果受风偏角影响比较大,上稳定板对开槽断面在非零风偏角下的颤振控制效果要优于0°风偏角。

圆角铣削颤振稳定域建模与仿真研究

为避免在圆角铣削加工中产生颤振,建立考虑再生作用的圆角铣削动力学模型,推导其平均方向力系数计算公式。鉴于圆角铣削时主轴转速通常远大于圆角处的进给角速度,两者的平均方向力系数近似相等。因此,经典直线铣削颤振稳定域解析模型适用于圆角铣削,前提是需要用最大径向啮合角代替名义径向啮合角进行仿真。根据铣刀与工件的啮合情况,将圆角铣削分为均匀切宽圆角铣削和非均匀圆角切宽铣削两类,并分别推导出其最大径向啮合角计算公式。在动力学建模基础上开发圆角铣削颤振稳定域仿真模块,仿真结果得到了切削试验的验证,为圆角铣削切削参数的选择提供了一条有效途径。

大跨悬索桥施工过程颤振稳定分析

随着悬索桥跨径的不断增大 ,抗风稳定性成为控制桥梁设计与施工的最主要因素 .尤其是在施工初期 ,结构的刚度比成桥要低得多 ,使得颤振临界风速最低 ,更容易发散 .通过对主梁非对称拼装顺序以及采用临时的水平交叉加劲措施等方法的研究 ,讨论如何提高桥梁施工过程的颤振临界风速 .分析结果表明 ,当主梁采用非对称施工时 ,会有效提高结构的等效质量 ,从而提高临界风速 .当采用水平交叉索时 ,结构的抗扭刚度显著增加 。

大跨度流线型箱梁悬索桥颤振稳定性气动优化

以主跨为1 660 m流线型箱梁悬索桥为工程依托,采用风洞试验和CFD数值模拟相结合的方法对影响大跨度悬索桥颤振稳定性的主要因素(主缆空间形式、主梁气动外形和中央稳定板高度)进行了研究,并对气动控制措施机理进行了探讨.结果表明:主缆布置形式对桥梁结构颤振临界风速的影响主要表现为主缆布置形式导致桥梁结构扭转频率的改变,从而影响桥梁结构颤振临界风速;适当增加主梁断面宽高比可有效提高桥梁结构颤振临界风速;设置合适高度的中央稳定板可有效提高带水平分离板的流线型箱梁断面颤振临界风速.中央稳定板附近产生的涡会引起主梁断面竖向气动力增加,导致主梁断面竖向运动参与程度提高,抑制了主梁断面扭转运动,从而提高了流线型箱梁断面颤振稳定性.

正交车铣偏心加工三维颤振稳定性的研究

针对正交车铣复杂运动产生变深度、变厚度的切削特性,基于其加工原理采用解析法提出三维颤振稳定域的理论模型。在模态试验基础上,仿真分析正交车铣偏心加工颤振稳定域叶瓣图,结果表明正交车铣加工产生颤振的条件除了与铣刀几何形状和啮合条件、机床结构的频响应函数、工件材料特性等有关外,主要与铣刀轴转速和切削深度密切相关。在正交车铣切削颤振稳定域试验过程中,切削力频谱分析的结果表明:当刀齿切入频率在力频谱中起主导作用时,切削过程是无颤振和稳定的;当系统结构模态频率在力频谱中起主导作用时,将产生颤振并测得切削力和表面粗糙度值都大于或高于无颤振情况。因此该理论模型及仿真结果可以有效预测正交车铣偏心加工颤振稳定性,为其加工表面质量和加工效率提供理论指导。

串列双幅断面颤振稳定性气动干扰试验研究

针对大跨双幅桥面桥梁气动干扰效应问题,采用风洞试验方法,在均匀流场、零度风攻角条件下研究了不同间距比时串列双幅典型断面(矩形断面、Π型断面及流线型断面)的颤振稳定性气动干扰效应。研究表明:串列双幅典型断面发生颤振失稳时,下游断面先失稳,上游断面后失稳;串列双幅钝体断面(矩形断面、Π型断面),当间距比D/B为0.2,0.5(D为串列双幅断面净间距,B为单幅断面宽度)时,串列双幅钝体断面颤振临界风速低于单幅钝体断面颤振临界风速;当D/B为1,2,4,6时,串列双幅钝体断面颤振临界风速高于单幅钝体断面颤振临界风速;串列双幅流线型断面颤振临界风速随间距比D/B增加而增加,在试验间距比范围内(D/B的值为0.3,0.6,1,2,4,5)均小于单幅流线型断面颤振临界风速,气动干扰效应降低了双幅流线型断面颤振临界风速。

轴向铣削力与陀螺效应对颤振稳定域的影响

首先,分析了轴向铣削力及陀螺效应对球头铣刀刀杆固有频率的影响;然后,基于全离散法研究了轴向铣削力及陀螺效应对球头铣刀颤振稳定域的影响;最后,通过实验验证,该理论模型可以有效预测铣削颤振稳定域。分析表明,随着轴向铣削力的增加,铣削系统的稳态临界切深呈现下降的趋势,但并不是线性关系,在局部会出现稳态临界切深增加的情况,而陀螺效应只是影响系统稳定域的高转速部分,对低转速无效。

铣削颤振稳定域叶瓣图确定方法研究

铣削颤振是一种非稳定性振动,会损伤工件表面质量,降低切削效率。本文提出了通过理论模型计算与实验设计相结合方法确定铣削颤振稳定域叶瓣图。基于实验测量数据和理论分析计算,利用遗传算法来优化确定各常数参数,从而绘制出与实验测量结果相一致的铣削颤振稳定域叶瓣图。该叶瓣图可有效应用到该机床实际铣削加工过程中的参数选择,对提高铣削加工效率和加工质量有重要意义。

超大跨径碳纤维主缆悬索桥施工阶段颤振稳定性研究

为明确超大跨径碳纤维主缆悬索桥施工过程中的颤振稳定性,采用状态空间法,对主跨3 500 m碳纤维主缆悬索桥10个施工阶段的颤振稳定性进行了分析,分别讨论了加劲梁刚度折减、阻尼比等参数对施工阶段颤振稳定性的影响,并研究了交叉索对改善悬索桥施工阶段颤振稳定性的作用,研究表明,同时布置竖向交叉索和水平交叉索可大幅提高超大跨径悬索桥施工阶段的颤振稳定性。

小宽高比钢桁架悬索桥颤振稳定气动措施的试验研究

以某主跨730m、宽高比小于4的钢桁架加劲梁悬索桥为研究对象,通过风洞试验考察了上中央稳定板、下中央稳定板、下横梁稳定板、导流板、双中央稳定板、双下稳定板等气动措施对主梁颤振临界风速的影响。结果表明:选取一定的尺寸(或角度),上中央稳定板能大幅提高0°和3°迎角下的颤振临界风速;下中央稳定板能大幅提高0°和-3°迎角下的颤振临界风速;下横梁稳定板对颤振临界风速的影响较小;主梁两侧栏杆上的稳定板能在一定程度上提高颤振临界风速;在桥面上下同时安装中央稳定板对于各个迎角均能大幅提高颤振临界风速;在下横梁上布置双稳定板,能在一定程度上提高0°和-3°迎角下的颤振临界风速,但同时降低3°迎角下的颤振临界风速。

特大跨径桁架加劲梁桥颤振稳定性气动优化措施风洞试验研究

以某特大跨径桁架加劲梁悬索桥为例,利用节段模型风洞试验,探讨研究桥面板中央开槽孔、加裙板、气动翼扳等各种气动控制措施对颤振临界风速的影响。试验结果表明,桥面板中央开槽、设置裙板、气动翼板都能够使桁架加劲梁桥颤振稳定性得到改善,但是都不能使各个攻角下的颤振临界风速都有所提高。气动翼板和桥面板中央开槽组合气动措施,且气动翼板的安装位置在桁架加劲梁弦杆,是最优化气动措施组合,可为类似大跨度桁架加劲梁桥抗风设计做参考。

桥梁断面颤振稳定性的直接计算法

利用通用CFD软件进行桥梁断面颤振稳定性的直接数值计算对于初步设计阶段估计桥梁断面的颤振临界风速具有重要意义。基于CFD软件Fluent,发展了桥梁断面颤振稳定性的直接计算方法。利用直接计算方法对典型矩形断面和典型流线形断面的颤振稳定性进行了数值计算,并将计算结果与风洞试验结果进行了对比。对比结果表明了本文计算方法的正确性。

桥梁结构颤振稳定的概率性评价

在对现有桥梁颤振检验方法简要评述的基础上 ,提出了以我国抗风设计指南为基础的设计风速效应模型、临界风速抗力模型和颤振稳定极限状态 ,运用一次二阶矩理论的中心点法和验算点法建立了基于实验加理论方法的桥梁颤振稳定的概率性分析方法 。

斜拉-悬吊协作体系桥的颤振稳定性研究

运用多模态颤振有限元分析方法 ,分别从悬索的矢跨比、吊跨比、斜拉索索面布置形式、边跨辅助墩的设置以及桥面主梁构成等设计参数着手 ,对主跨 14 0 0m的斜拉 -悬吊协作体系桥进行了颤振稳定性分析 ,指出了影响斜拉 -悬吊协作体系桥颤振稳定性的关键设计参数 ,并从抗风性能角度探讨了斜拉 -悬吊协作体系桥的合理结构型式。

大跨径悬索桥施工阶段颤振稳定性影响因素研究

基于全物理坐标法的ANSYS有限元模型,对中渡桥施工阶段颤振稳定性进行分析,分别研究对称与不对称施工、不同初始风攻角、结构阻尼等因素对施工阶段颤振稳定性的影响。研究结果表明:不对称施工顺序更有利于施工阶段的颤振稳定性;初始风攻角为-3°时有利于颤振稳定性,而+3°时最为不利;结构阻尼对颤振稳定性影响较大,特别是早期施工阶段尤为显著,可明显改善大跨度悬索桥施工阶段颤振稳定性。分析方法可为桥梁设计和研究人员提供参考。