5000m特大跨度悬索桥空气动力稳定性风洞试验研究

伴随跨海大桥建造时代的来临,特大跨度悬索桥的空气动力性能研究日益紧迫,设计了中跨跨度为5000m的宽开槽和窄开槽钢箱梁悬索桥方案,实现了5000m特大跨度钢箱梁悬索桥的节段模型风洞试验,研究了宽开槽和窄开槽两种方案的颤振性能,识别了其颤振导数、颤振风速、颤振频率、三分力系数等重要参数;其次在风洞试验中研究了多种稳定板组合方案对窄开槽钢箱梁的颤振控制作用,发现中央稳定板和上稳定板的组合能将颤振临界风速提高50%;最后提出了适用于特大跨度悬索桥的二维颤振Straight-forward Method分析方法,对风洞试验进行了数值模拟,验证了该方法和节段模型风洞试验对于5000m悬索桥分析结果的一致性.最终研究认为:中央开槽达到足够宽度的方案与窄开槽附加稳定板的方案都能为跨度5000m的悬索桥提供足够高的颤振失稳临界风速,并能满足世界上绝大多数台风区的要求.     

5000m特大跨度悬索桥空气动力稳定性能理论研究

为研究5000m特大跨度悬索桥的三维空气动力稳定性能,首先实现了考虑竖向、侧向和扭转向三自由度自激力和静风荷载的三维全桥全模态颤振分析方法;其次根据风洞试验获得的气动参数对宽开槽和窄开槽两种方案进行了三维颤振性能分析,并与风洞试验和二维颤振分析结果进行了逐项对比,认为二维和三维颤振分析对于5000m悬索桥有可比性;然后实现了特大跨度悬索桥三维三重非线性静风性能分析方法,并对该方案进行研究发现5000m悬索桥的动力失稳先于静力失稳出现,静风稳定性能不控制设计.最终研究结论:从三维分析的角度看,中央开槽达到足够宽度的方案与窄开槽但设稳定板的方案都能给跨度达5000m的悬索桥提供足够高的颤振失稳临界风速,并能满足世界上绝大多数台风区的要求,5000m特大跨度悬索桥的设计由空气动力稳定性能控制.     

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.     

箱梁颤振过程中旋涡的演化规律及气动力的变化特性

利用粒子图像测速技术(PIV)观测了箱梁颤振过程中模型周围流场的旋涡特征,以模型扭转振动位移作为参考信号,采用相位平均的方法研究了旋涡规律性演化对模型周期性振动的驱动作用.风速较低时,箱梁振幅很小,其尾部风嘴附近上侧的旋涡尺度也很小,不易观测到,而下侧的旋涡尺度较大,其形状接近于圆形.当风速接近颤振临界风速时,箱梁振幅明显增大,并且模型尾部风嘴上侧的旋涡尺度也显著增大,达到与下侧旋涡尺度相匹配的程度,模型尾部风嘴上下侧旋涡的交替作用主导了结构振动直到模型振动发散.基于流固松耦合的计算策略,采用计算流体动力学(CFD)的数值方法模拟了箱梁颤振临界状态下的绕流特性,结合正交特征分解(POD)的方法研究了模型颤振时刻表面压力的空间分布特征,通过分析发现在颤振过程中箱梁表面波动压力的主控成分向迎风侧风嘴漂移.     

亚跨风洞中舵面亚临界颤振试验

设计了舵面颤振试验装置,在亚跨超风洞中对展弦比2.0的NACA0012矩形舵面开展了颤振试验研究.试验马赫数范围为0.3~0.75.试验采用直接观测法获得舵面在不同质量特性条件下的亚声速和接近跨声速的颤振特性.同时还采用亚临界数据分析方法对试验的扭转应变信号进行了离线分析,即通过采用ARMA方法识别扭转应变信号的阻尼和频率,并通过阻尼外插得到颤振临界动压值.研究结果表明:该试验装置可以用于在现有亚跨超风洞中开展舵面颤振问题研究.当采集的亚临界信号为典型指数衰减信号时,以ARMA方法为基础的亚临界颤振试验技术可以稳定地识别出信号阻尼和频率,并较为准确地获得舵面的颤振临界动压、颤振频率等颤振参数.     

高超声速风洞连续变动压舵面颤振试验

为了研究舵、翼面高超声速颤振特性，中国航天空气动力技术研究院建立了高超声速风洞连续变动压颤振试验技术。对具有相同结构动力学和气动特性的舵面模型进行颤振试验，试验马赫数为4.95和5.95。试验中缓慢连续增加试验动压直至颤振发生，并由此获得颤振临界参数；采用短时傅里叶变换时频域分析法研究了试验中模型频率随动压变化的耦合特性，分析表明该模型在试验条件下发生了经典弯扭耦合颤振。试验中还采用亚临界试验数据对颤振余度法和阻尼外推法2种颤振边界预测技术进行了研究，2种方法在高超声速颤振试验中都显示了良好的预测精度。研究还表明，动压增加的速率对颤振边界的预测精度影响较小。采用红外热成像技术对模型的气动加热进行了研究，温度场测量显示舵面最高温度出现在舵根部前缘位置，舵前缘和舵面斜面中后部温度也较高；舵轴裸露在流场中的部分由于反射板附面层的影响其气动加热问题并不严重。     

大振幅下薄翼和流线型箱梁的气动迟滞研究

回顾了机翼和箱梁的气动迟滞效应研究现状,介绍了大振幅下获取薄翼和流线型箱梁自激气动力的风洞试验.研究结果表明:薄翼在超过失速角的振幅条件下,升力并没有出现明显的失速现象,但气动力的高阶谐波分量显著增加;大振幅条件下,流线型箱梁的气动力高阶谐波分量也比较显著,并以第2和第3阶谐波分量为主.此外,在大振幅条件下,流线型箱梁的气动力矩迟滞曲线可出现“8字环”,即气动力在一个振动周期内既做了正功也做了负功;其中,迟滞曲线“8字环”的气动正功部分随着振幅和折算风速的增大而增加.该现象可导致桥梁也出现类似于失速机翼的极限环震荡.最后,基于不同振幅下流线型箱梁的力矩迟滞曲线,简要讨论了大跨度桥梁在颤振后状态可能出现的振动形式和气动稳定性.     

基于节段模型试验的悬索桥涡振性能优化研究

针对扁平钢箱梁这一常用的主梁断面形式,为研究其涡激振动性能,并提出有效的涡振抑制措施,以某大跨度钢箱梁悬索桥为工程背景,采用缩尺比为1/50的节段模型进行风洞试验。基于均匀来流风洞试验条件,重点分析研究了风迎角、结构阻尼比和导流板等因素对主梁涡振性能的影响,提出了优化主梁涡振的有效气动措施。研究表明,风迎角的变化会使涡振锁定风速和振幅均产生变化;阻尼比的提高对主梁扭转涡振的抑制比较明显,对竖向涡振的抑制不明显;在主梁风嘴短而钝的情况下,在检修轨道位置安装导流板对主梁涡振的抑制效果不明显,而紧贴风嘴的宽导流板能有效地抑制主梁涡振,且结构形式简单,便于工程应用。     

板-桁组合式钢桁梁悬索桥颤振稳定性选型研究

板-桁组合式钢桁梁与传统的板-桁分离式钢桁梁的气动性能存在较大差异。以某大跨度板-桁组合式钢桁梁悬索桥为工程背景,通过节段模型风洞试验,详细研究了该桥的气动性能。针对关乎结构抗风安全的颤振问题,比较了下中央稳定板、上中央稳定板和水平稳定板对主梁颤振性能的影响。在综合考虑结构安全、经济和美观等因素的基础上,提出了最优的主梁气动方案。研究成果可为类似大跨度钢桁梁桥的抗风设计提供借鉴和参考。     

大跨度斜拉桥钢桥塔基于涡振的气动选型及驰振性能风洞试验研究

大型钢桥塔在中国应用较少,其风振特点与常规混凝土桥塔有较大差异.以大跨度斜拉桥“人”字弧线形钢桥塔为工程背景,采用考虑三维绕流特性的气弹模型,针对塔柱可能的断面形式进行了多工况的对比试验,并对风洞试验结果进行分析讨论,进而确定最优断面形式.根据确定的断面形式,对该桥桥塔进行了大缩尺比的气弹模型风洞试验,较全面地考查了该桥桥塔的涡激振动及驰振性能,并对比了阻尼比对桥塔涡激振动振幅及驰振临界风速的影响.试验结果表明:当塔柱断面切角为0.8m×0.7m时桥塔涡振响应最小,相应的扭转驰振临界风速较高.