西部山区大跨度悬索桥风致振动研究

悬索桥风致振动研究：桥面粗糙度的影响

图6.7 为不同桥面粗糙度下主梁跨中位移和加速度随时间的变化情况。主梁冲击系数随着桥面粗糙度变差而增大。②主梁跨中竖向加速度的最大值分别为0.358，0.417 和0.484 m／s2，其RMS 值分别为0.187，0.224 和0.259，C 级桥面粗糙度对应的主梁跨中竖向加速度RMS 值分别为A 级和B级路面的1.385 倍和1.156 倍。
理论教育 2023-10-11

攻角对西部山区大跨度悬索桥风致振动的影响结果

0°攻角的升力系数接近于0，但仍为负值。图4.3计算网格划分为了证明模型的可靠性，应用该模型计算了10.0 m／s 风速时7 种不同风攻角下的静力三分力系数，并将计算结果与风洞试验结果进行对比。图4.4主梁断面附近压强分布由图4.4可知，主梁上侧处于负压区，下侧基本处于正压区，因此＋12°攻角时，上、下压力差为负，断面竖直方向的受力向上，升力系数为正。
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西部山区大跨度悬索桥风致振动中的桥面粗糙度影响

图4.21B 级桥面粗糙度涡振试验根据表3.5 中的竖弯频率、竖弯阻尼比、扭转频率、扭转阻尼比计算出涡振试验中竖向风速比和扭转风速比分别为4.72 和4.41。图4.22主梁竖向涡振响应由图4.22 可知：①竖向涡振振幅最大值随桥面粗糙度的增加不断降低。其降低幅度大于在同样风攻角下，桥面粗糙度发生同样变化的竖向涡振振幅，表明扭转角度更容易受桥面粗糙度变化的影响。
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气动外形对大跨度悬索桥振动性能的影响

1）不同栏杆透风率对颤振性能的影响由于人行道栏杆的形式不同，其透风率也在改变，从而对结构的气动性能存在影响。从图5.23 中的对比可以看出，栏杆透风率的改变对颤振导数结果存在较大的影响，虽然不改变整体的变化趋势，但是数值的大小存在差异。图5.30 至图5.32 中给出了3 种透风率栏杆的颤振导数在风洞试验中得到的结果及数值计算结果，并进行了对比分析。
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西部山区大跨度悬索桥风致振动研究的振动特性

早在19 世纪，工程师们就对铁路桥上的风列车桥梁系统振动进行了研究。2）研究风汽车桥梁的必要性桥上安全行车与很多因素有关。当出现不良天气时，桥梁限速过低或过早关闭会影响通行效率，限速太高会导致交通事故，因此，有必要对风汽车桥梁系统振动进行研究，以确保车辆通过桥梁时的安全性和行人的舒适性。
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西部山区大跨度悬索桥风致振动研究-颤振特性

另一类并非灾难性后果，产生的气动力会致使桥梁出现限幅振动现象但不会出现毁灭。发展至今，采用节段模型风洞试验识别桥梁颤振导数的方法已得到广泛应用。2）开展颤振研究的必要性颤振形成的气动力会导致桥梁发生失稳现象，桥梁结构出现的颤振现象主要包括分离流颤振和弯扭耦合颤振。气流流经桥梁的钝体断面，在迎风面的棱角处发生旋涡脱落及分离现象，从而导致主梁断面发生单自由度扭转颤振，这种现象就是分离流颤振。
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颤振导数识别在西部山区大跨度悬索桥风致振动研究中的应用

图5.2不同人行道栏杆形式的透风率设置情况表5.3颤振导数识别试验工况由施工状态颤振导数识别试验得到的数据，应用MATLAB 程序根据最小二乘法原理识别颤振导数，将6 次试验得到的结果取平均值可得到最终的颤振导数识别结果，见表5.4。表5.7成桥状态颤振导数识别结果注：表中数据均为6 次试验结果数据处理之后的平均值。图5.4成桥状态的颤振导数与折算风速的关系曲线
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栏杆透风率对西部山区大跨度悬索桥风致振动的影响

②在－12°～－7°和＋1°～＋12°攻角范围内，不同风速下的升力系数变化十分明显，证明在此攻角范围内栏杆透风率对升力系数的影响较大。③栏杆透风率变化对阻力系数影响最大，升力系数次之，力矩系数最小。图4.8 至图4.10 是当风攻角为＋12°时，三种栏杆透风率下主梁断面附近压强、速度和流线分布的变化情况，根据其流场的对比可定性分析出阻力系数、升力系数和力矩系数随栏杆透风率变化的原因。
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悬索桥风环境选址研究成果

重庆市的水平风场和垂直气流都受到了地形、山谷风和江陆风等共同影响，下午14：00 左右，湍流在整个城区异常活跃，最大值为2.1 m2／s2。图2.3寸滩长江大桥、大佛寺长江大桥、朝天门长江大桥的位置寸滩长江大桥位于重庆市寸滩港区下游1.2 km，与朝天门之间距离约7.7 km，距宜昌航道里程约652.1 km，大桥的左岸连接江北区港城工业园区，右岸接南岸弹子石。河流纵坡为1.1%～2.1%，相对切割深度为30.0 ～40.0 m。
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西部山区大跨度悬索桥颤振导数研究

要达到上述目的，需采用简谐振动的复指数形式：将表达式中的理想平板半宽b 用B／2 替换，最终得到理想平板颤振导数的Theodorsen理论解表达式如下：从表达式可以看出，理想平板颤振导数Theodorsen 理论解只与无量纲折算频率k 有关。
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大跨度悬索桥动力特性分析

图3.7寸滩长江大桥有限元模型表3.4 中给出了通过软件计算出的桥梁有限元模型的前20 阶模态频率。图3.8寸滩长江大桥前十阶振型模态由图3.8 可知，寸滩长江大桥基频为0.112 2 Hz，基本周期较短，其对应振型为主梁一阶对称侧弯振型；第二阶振动频率为0.116 2，其对应振型为主梁一阶反对称竖弯振型，符合大跨度悬索桥这一柔性结构的动力特性的基本规律。
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西部山区大跨度悬索桥颤振导数识别及临界风速计算

图5.16模型做纯竖弯运动的速度流场分布图5.17模型做纯扭转运动的速度流场分布由升力和力矩的时程数据知，MATLAB 程序根据最小二乘法原理识别颤振导数，计算结果见表5.10。同时依据式求解颤振临界风速，求解过程及结果见表5.11。图5.18寸滩节段模型颤振导数的识别结果图5.19图解法求解寸滩长江大桥颤振临界风速表5.11寸滩长江大桥颤振临界风速计算
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颤振临界风速计算成果-大跨度悬索桥风致振动研究

首先让模型做单自由度的竖弯振动，可知α＝＝0 时，运动方程为：则线速度为：然后让模型做单自由度的扭转振动，可知h＝＝0 时，运动方程为：则角速度为：用Scanlan 颤振临界风速计算方法来对主梁断面的颤振临界风速值进行估算的理论推导如下。对应的圆频率为：颤振临界风速为：计算时采用的横坐标是与K 值对应的折算风速Vr，由VRVr 和VIVr 两条曲线的交点来确定临界状态，对应的颤振临界风速计算公式为：
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车型对振动的影响-西部山区大跨度悬索桥风致振动研究

本次试验中，用到了4 种典型车辆，在表4.3 中给出了4 种车型的具体尺寸及质量。表4.3车辆的具体尺寸及质量图4.24汽车桥梁系统风洞试验表4.4风洞试验中的工况续表为研究主梁上有无车辆和不同类型车辆对主梁涡振响应的影响，在图4.25 中给出了桥上无车、一辆集装箱车、一辆双层巴士、一辆单层巴士和一辆小轿车时的涡振响应对比情况。图4.26 显示的是3 种工况下涡量值发生的变化，涡量变化范围为0～5 000 s－1。
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西部山区大跨度悬索桥平均风特性参数研究

表2.3风剖面模型进行风剖面观测是为了确定风剖面指数αw，基于表2.3 中的对比，本书采用指数律模型对10 ～100 m 的风剖面进行拟合。表2.1 中给出了αw的取值，但对于山区地形，不满足地表地貌均匀的假设，地表粗糙度类别归类模糊，直接从《规范》中选用其值不合理。《规范》中风剖面指数的取值是在大量风观测数据的基础上拟合得到的，没有充分考虑边界层的稳定性。风剖面指数与桥址处风速大小和局部区域小气候等相关。
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