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超大跨度悬索桥涡激振动响应与振动控制

科学技术与工程 2022年第18期22卷 8103-8109页

作者：郑成成向泓舟陈永祁郑久建燕山大学建筑工程与力学学院秦皇岛066004 北京奇太振控科技发展有限公司北京100037

超大跨度钢箱梁悬索桥的结构阻尼和刚度较小,其竖向模态频率低且密集,随风速变化加劲梁可能先后发生多次涡激振动。首先针对某超大跨度悬索桥,进行有限元建模和动力分析。为研究悬索桥多模态涡激振动响应机理和有效抑振措施,在忽略气动... 详细信息

超大跨度钢箱梁悬索桥的结构阻尼和刚度较小,其竖向模态频率低且密集,随风速变化加劲梁可能先后发生多次涡激振动。首先针对某超大跨度悬索桥,进行有限元建模和动力分析。为研究悬索桥多模态涡激振动响应机理和有效抑振措施,在忽略气动刚度和气动阻尼影响时,通过简化Scanlan经验非线性涡激力数学模型得到简谐涡激力数学模型。然后以各竖向模态涡振最大位移响应为优化目标,基于液体黏滞阻尼器参数敏感性分析和调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)参数优化设计方法,分别确定阻尼器参数和TMD参数。最后探讨了黏滞阻尼器耗能系统控制悬索桥多阶竖向模态涡振的可行性,详细分析了TMD系统控制涡激振动的效果。结果表明:在塔梁间设置黏滞阻尼器对各竖向模态主要起振区域的涡振位移控制效果不理想;TMD系统能有效抑制常遇风速范围内加劲梁的多阶竖向模态涡振响应,将最大振幅严格控制在容许值以内,提高了加劲梁抵抗涡振变形的能力。

关键词：超大跨度悬索桥多模态竖向涡振液体黏滞阻尼器调谐质量阻尼器振动控制

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超大跨度悬索桥动静力特性及地震反应分析

超大跨度悬索桥动静力特性及地震反应分析

作者：牛振龙大连海事大学

学位级别：硕士

在新世纪，研究3000m级以上的特大跨度的悬索桥越来越受到当今桥梁设计者的重视。由于超大跨度悬索桥结构柔性大，其几何非线性效应更为突出，成桥状态的静动态特性与响应变得更为复杂，因此，开展有关这一领域的研究十分重要。本文就... 详细信息

在新世纪，研究3000m级以上的特大跨度的悬索桥越来越受到当今桥梁设计者的重视。由于超大跨度悬索桥结构柔性大，其几何非线性效应更为突出，成桥状态的静动态特性与响应变得更为复杂，因此，开展有关这一领域的研究十分重要。本文就改变缆索体系来改善悬索桥结构静动态性能的有关问题进行了初步探讨。参考现有资料简单设计四座主跨3000m，边跨1000m的超大跨度悬索桥。其结构形式分别为：传统双主缆悬索桥;扩大主缆间距的双主缆悬索桥;施加斜交叉吊杆的双主缆悬索桥;三主缆悬索桥。运用有限元软件ANSYS分别对设计的四座桥梁进行了有限元数值模拟，分析了成桥状态下四种结构形式的静力和动力特性，并进行了对比研究。同时对地震荷载作用下四种结构体系的响应，做出初步分析比较。得出的主要结论如下：一，对于四种不同缆索体系的悬索桥模型，主缆设计采用抛物线法计算与有限元法迭代计算存在较大差别;主梁设计上采用常见的轻质钢箱梁也取得良好的效果;在主塔设计上，三主缆体系与其它体系相比有较大的设计区别。二，在静力特性方面各种结构体系区别不大，总的来说改变缆索体系的悬索桥截面内力控制值略大于传统悬索桥;三主缆悬索桥在缆索和主塔方面都有其特殊之处。动力特性方面，模型的自振周期都较长，扭转振型和主塔为主的振型出现得较晚。在前20阶振型中主缆振动为主的振型占有很大比例，特殊的缆索结构会造成特殊形态的缆索振型。三，四种结构体系的悬索桥在地震作用下的反应各有特点，与设计参数的选择有关。相对来说，施加斜交叉吊杆的悬索桥抗震性能最好，但在控制截面应力上相对较大;扩大主缆间距的结构体系其次，传统体系的悬索桥和三主缆体系悬索桥稍差，但在控制截面应力值上三主缆悬索桥却相对最小。

关键词：超大跨度悬索桥动静力学特性地震反应

基于可动导流板的超大跨度悬索桥涡振控制试验研究

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基于可动导流板的超大跨度悬索桥涡振控制试验研究

作者：高晓东深圳大学

学位级别：硕士

风荷载是超大跨度悬索桥最主要的设计荷载之一,在低风速下极易发生涡激共振,直接影响桥上乘客的舒适性和桥梁结构疲劳寿命,甚至危及行车安全。因此,涡振控制是桥梁抗风设计中的一个关键问题。目前在工程实践中解决桥梁涡振问题绝大多数... 详细信息

风荷载是超大跨度悬索桥最主要的设计荷载之一,在低风速下极易发生涡激共振,直接影响桥上乘客的舒适性和桥梁结构疲劳寿命,甚至危及行车安全。因此,涡振控制是桥梁抗风设计中的一个关键问题。目前在工程实践中解决桥梁涡振问题绝大多数采用的是固定气动措施,具有控制效果良好,经济实用等特点。但经过数年研究与应用,其涡振控制能力已基本被开发至极限且存在对结构断面敏感性大的问题,在不同断面和结构形式的桥梁涡振控制中普适性较差。与主动式气动措施相比,可动型的气动措施不需要外接能源供给,由风振时主梁自身的运动即可驱动加装于主梁上的气动措施发生固定模式从动;与固定控制措施不同,可动气动措施通过自身运动具有一定的耗能能力,从而兼有固定气动控制与机械控制的优点,具有很大的应用潜力。本文提出了一种可动导流板措施,将导流板气动控制措施和TMD机械类控制措施相组合,以某超大跨径悬索桥为工程背景,进行1:50缩尺比节段模型的涡振试验,分别进行了闭口箱梁和分体箱梁两种断面及其带可动导流板控制措施下的涡振性能系统研究,主要研究内容及结果如下:首先,回顾了桥梁涡激振动相关理论及各类控制措施发展现状,针对各类控制措施特点及局限性,创新性提出应用于超大跨度悬索桥涡振控制的一种可动导流板措施。其次,针对超大跨度悬索桥常用的两种主要断面形式:闭口箱梁和分体箱梁,分别设计与制作了1:50带可动导流板的两种主梁节段模型,分别对两种原始断面展开均匀流场涡振试验研究。试验结果表明分体箱梁涡振性能较闭口箱梁差,在+3°和0°风攻角下最大涡振幅值超过《公路桥梁抗风设计规范》限制值。并针对可动导流板的弹簧刚度、导流板水平长度两个重要参数,开展不同弹簧刚度、不同水平长度下可动导流板措施的涡振试验研究。结果表明:可动导流板在闭口箱梁和分体箱梁超大跨度悬索桥中具有相似的涡振控制作用规律,在+3、0°风攻角下弹簧刚度越小,导流板水平长度越短,其抑振效果越好;-3°攻角下规律相反即弹簧刚度越大、导流板水平长度越长抑振效果相对较好。进一步地,基于弹簧-导流板两种元件参数组合下的抑振效果进行分析,定义了均值、最大幅值抑制率作为气动措施效果的评价指标以选取最优工况参数。闭口箱梁自身涡振性能较好,导流板刚度变化较长度变化对主梁涡振性能影响有限,因此综合三个攻角的竖弯及扭转情况选用板长最小(60+10mm)、刚度次小(24g/mm)的可动导流板,0°攻角下其竖弯及扭转涡振的最大幅值降低了58.04%和90.67%;分体箱梁导流板长度、刚度变化对涡振性能影响均较为明显,采用了刚度最小(19g/mm)、长度最小(25+10mm)的可动导流板,0°攻角下竖弯及扭转涡振的最大幅值分别降低了71.28%和92.96%。在分体箱梁同参数的固定导流板与可动导流板的对比发现:0°、-3°风攻角下二者效果接近,+3°攻角固定式导流板存在涡振响应放大问题;可动导流板效果更优,竖弯、扭转幅值的抑制率相比固定式导流板分别提升了87.25%和90.35%。最后,通过LM-UGO拟合算法,建立了两种断面的风速(X)-可动导流板位移(Y)-主梁位移(Z)三者映射关系的优化模型(Z=p1*X^p2*Y^p3),通过函数参数(p1、p2、p3)变化趋势能很好地反映可动导流板运动、风速与主梁运动之间联系,并初步解释了可动导流板的作用原理。

关键词：超大跨度悬索桥涡激共振可动导流板涡振试验抑振效果

2180m主跨超大跨度悬索桥施工猫道抗风性能研究

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2180m主跨超大跨度悬索桥施工猫道抗风性能研究

作者：董长甜西南交通大学

学位级别：硕士

超大跨度悬索桥的桥址一般风环境恶劣，风荷载会成为影响桥梁施工和运营安全的关键因素。猫道作为悬索桥上部结构重要的临时施工平台，其特点是相比桥梁具有更小的刚度和阻尼，对风的作用更加敏感，易发生静风失稳问题，影响施工进度和... 详细信息

超大跨度悬索桥的桥址一般风环境恶劣，风荷载会成为影响桥梁施工和运营安全的关键因素。猫道作为悬索桥上部结构重要的临时施工平台，其特点是相比桥梁具有更小的刚度和阻尼，对风的作用更加敏感，易发生静风失稳问题，影响施工进度和威胁施工人员的生命安全。　　为考察超大跨度悬索桥施工猫道的抗风性能，本文以某2180m主跨的悬索桥施工猫道为研究对象，通过风洞试验和数值仿真试验，计算分析了该猫道的非线性静风稳定性，并进一步探讨了不同抗风结构措施对该猫道抗风性能的影响。首先利用猫道节段模型的风洞试验，测得了其三分力系数。接着通过ANSYS的参数化设计语言建立了猫道有限元模型，分析了其抗风稳定性，计算了不同主缆架设率时猫道和主缆的非线性静风响应。最后提出了不同的猫道抗风结构措施，并计算分析和对比了不同措施及其布置对猫道静风响应的影响。　　猫道静风计算结果表明：猫道满足抗风稳定性的要求。不设置主缆限位器时，由于主缆的重力作用，使得主缆竖向位移对主缆架设率的变化不敏感，且在大于 40%架设率时有微小增大的趋势。设置主缆限位器后，猫道和主缆将成为一个系统，使得主缆横竖向位移对架设率的变化变得敏感，主缆的横竖向位移相对无限位器时分别最大增大了179%和27%;猫道的横竖向位移都大幅减小，且减小幅度随着主缆架设率的增大而增大，最大分别减小了90%和37%。　　结构措施计算结果表明：增加横向通道数量对猫道的横竖向刚度影响不明显，但可显著改善扭转刚度，当横向通道的数量由3个增加到5个和14个时，跨中附近的扭转角分别减小了35%和61%。水平制振索能抑制猫道的横向位移，但会增大扭转位移， 10m/s风速时扭转角最大最小值的差值增大到2.2倍，且水平制振索布置区域越大，对抑制横向位移越有利。当风速是10m/s和18m/s时，门架斜索的纵桥向长度由48m增加到102m和156m后，猫道跨中的横向位移均分别减小了6%和11%;门架斜索的纵桥向长度由 48m 增加到 156m 后，猫道跨中扭转角值的大小分别增大了 4%和减小了88%。外索抑制横向位移的效果随着风速增长钝化，且对外索与承重绳的距离变化不敏感;在某些风速下出现了外索的设置不利于扭转的情况，但是风速如果可以进一步加大会重新显现外索的积极作用。3个横向通道的猫道设置斜拉索后，风速10m/s时横向位移减小了31%，而斜拉索和猫道面层联结处的扭转角增大了390%和488%。

关键词：超大跨度悬索桥施工猫道静风稳定性抗风措施

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基于机器学习的超大跨度悬索桥健康状态评估

上海公路 2020年第3期 48-53,M0004页

作者：石林泽程斌曹一山蒋永生上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院土木工程系上海200240 中交公路规划设计院有限公司北京100010 贵州高速公路集团有限公司贵州贵阳550009

随着桥梁健康监测系统及其应用的不断完善,采用机器学习进行桥梁健康状态评估成为必要趋势。以超大跨度悬索桥为研究对象,基于桥梁监测数据与机器学习算法,建立了一种以提取结构损伤特征为目标的回归网络,并以峰值系数法和连续小波变换... 详细信息

随着桥梁健康监测系统及其应用的不断完善,采用机器学习进行桥梁健康状态评估成为必要趋势。以超大跨度悬索桥为研究对象,基于桥梁监测数据与机器学习算法,建立了一种以提取结构损伤特征为目标的回归网络,并以峰值系数法和连续小波变换法作为对比,采用密度聚类法对桥梁结构的健康状态进行评估。结果表明:采用改进四分位距法可有效消除监测数据中的异常跳点,回归网络提取的损伤特征与密度聚类法在桥梁健康状态评估中的适用性良好。研究成果为机器学习下的超大跨桥梁健康状态评估提供了理论借鉴和方法参考。

关键词：超大跨度悬索桥健康状态评估机器学习回归网络密度聚类

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超大跨度悬索桥抖振特性的全桥模型风洞试验

山西建筑 2006年第18期32卷 333-334页

作者：郝景贤中铁二十三局集团三公司四川成都611130

以主跨1650m的某超大跨度悬索桥为研究背景，介绍了大跨度悬索桥全桥气动弹性模型设计和制作中的一些技术特点，并以风洞试验为手段，研究了超大跨度悬索桥在紊流作用下的抖振特点，可以作为大跨度悬索桥初步设计时参考。

关键词：超大跨度悬索桥抖振风洞试验

2300m超大跨度扁平钢箱梁悬索桥颤振稳定性优化研究

维普期刊数据库评论

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振动与冲击 2022年第14期41卷 210-217页

作者：黄林廖海黎王骑李强李志国西南交通大学桥梁工程系成都610031 风工程四川省重点实验室成都610031

张皋过江通道南航道桥作为张皋过江通道的控制性工程,主桥采用主跨为2300 m的悬索桥设计,主梁采用扁平钢箱梁设计(宽度达51.7 m),跨中桥面距离海平面高度达77 m,具有桥梁跨度大、主梁宽度大、桥面高等特点。以上特性均导致了该桥对风的... 详细信息

张皋过江通道南航道桥作为张皋过江通道的控制性工程,主桥采用主跨为2300 m的悬索桥设计,主梁采用扁平钢箱梁设计(宽度达51.7 m),跨中桥面距离海平面高度达77 m,具有桥梁跨度大、主梁宽度大、桥面高等特点。以上特性均导致了该桥对风的作用极为敏感,颤振设计面临着前所未有的挑战。研究表明该桥原设计断面无法达到颤振设计要求,就如何提高该类2000 m级整体钢箱梁悬索桥的颤振稳定性,采用1∶50节段模型风洞试验进行了研究。试验结果表明,上中央稳定板、下中央稳定板、水平稳定板以及改变人行道板倾角等传统气动措施已无法满足该类超大跨度桥梁的颤振设计需求,但在设置上、下中央稳定板的基础上,在人行道板端部设置斜45°导流板可显著提高该桥在各风攻角下的颤振临界风速至满足颤振设计要求,并通过1∶196全桥气弹模型风洞试验对该组合气动措施的有效性进行了验证。研究成果对采用整体箱梁的2000 m级超大跨度悬索桥颤振设计具有重要的参考意义。

关键词：超大跨度悬索桥扁平箱梁颤振性能组合气动措施斜导流板风洞试验

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超大跨度公铁两用悬索桥活载刚度研究

铁道建筑 2021年第3期61卷 5-8,37页

作者：许磊平霍学晋中铁大桥勘测设计院集团有限公司武汉430050

为提高超大跨度公铁两用悬索桥在活载作用下的刚度,对多个影响参数开展了考虑几何非线性的敏感性分析。以高精度的悬链线理论为基础,计算并确定超大跨度公铁两用悬索桥的成桥线形、主缆及吊杆的无应力长度、主缆的分点坐标等数据,建立... 详细信息

为提高超大跨度公铁两用悬索桥在活载作用下的刚度,对多个影响参数开展了考虑几何非线性的敏感性分析。以高精度的悬链线理论为基础,计算并确定超大跨度公铁两用悬索桥的成桥线形、主缆及吊杆的无应力长度、主缆的分点坐标等数据,建立并更新桥梁的空间有限元模型。以活载作用下主跨最大挠度、梁端转角及梁端纵向变形为评价指标,对主跨1560 m结构方案进行活载几何非线性效应多参数影响分析。结果表明:超大跨度公铁两用悬索桥活载几何非线性效应显著,简化的线性方法会放大活载效应,设计不经济,应采用高精度悬链线理论计算活载效应;矢跨比、主塔刚度、边缆跨度及边跨加劲梁长度对悬索桥刚度均有不同程度的影响,在设计中应根据活载效应进行结构优化。

关键词：公铁两用桥梁活载刚度理论分析超大跨度悬索桥几何非线性

超大跨度轻型组合梁悬索桥的温度梯度效应研究

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超大跨度轻型组合梁悬索桥的温度梯度效应研究

作者：刘瑜湖南大学

学位级别：硕士

随着桥梁结构形式的发展以及对材料的深入研究,组合结构已经在桥梁工程中得到了广泛的应用,这种结构形式能充分发挥钢结构优越的受拉性能以及混凝土良好的受压性能。但传统组合结构中混凝土的厚度较大,随着桥梁跨径的增大,结构的自重随... 详细信息

随着桥梁结构形式的发展以及对材料的深入研究,组合结构已经在桥梁工程中得到了广泛的应用,这种结构形式能充分发挥钢结构优越的受拉性能以及混凝土良好的受压性能。但传统组合结构中混凝土的厚度较大,随着桥梁跨径的增大,结构的自重随着增加,桥梁的跨越能力受到限制。当采用连续梁桥时可能在上部混凝土中产生较大的拉应力,使得混凝土出现裂缝,从而影响桥梁结构的耐久性能和使用性能。故在本文中的研究中提出在超大跨度悬索桥上采用轻型组合梁结构,其主要的结构形式是超高性能混凝土（UHPC）和正交异性钢桥面板通过抗剪连接件组合在一起。由于UHPC具有强度高,耐久性好,收缩徐变小,体积稳定性好的优点,将其与正交异性钢桥面板组合,可以显著降低结构的自重,提高桥梁的跨越能力。这种组合结构不仅提高了桥梁的整体受力性能,另一方面也增大了车辆轮载下正交异性板的局部受力性能。本文基于跨琼州海峡的超大跨度悬索桥实例,主要进行了以下研究工作:（1）轻型组合梁的温度梯度模拟:基于太阳辐射以及结构与外部环境之间的热传递等理论,建立了日照作用下轻型组合梁桥结构温度场分析的第三类边界条件,得出了轻型组合梁桥面板的温度梯度。同时分析了沥青铺装层对轻型组合梁温度梯度的影响,最后对影响温度梯度的主要参数进行了分析。（2）超大跨度悬索桥主缆线形计算:结合具体的工程实例,分别采用解析法编程和有限元分析计算了悬索桥在成桥状态下的主缆线形和主缆内力,对比两种计算结果可知,采用有限元进行计算是可行的,故可以采用有限元分析进行大跨度悬索桥的静力计算。（3）轻型组合梁桥在超大跨度悬索桥上的静力计算:通过有限元软件,分别采用线性二阶方法和非线性方法计算了轻型组合梁在超大跨度悬索桥上的静力性能,两种计算结果的对比表明采用计算更为简便的线性二阶方法是可行。（4）轻型组合梁与传统钢箱梁方案的比选:将原桥方案即钢箱梁上铺沥青混凝土方案与轻型组合梁方案进行受力性能和经济性的对比,计算结果表明在超大跨度悬索桥上采用轻型组合梁更具优势。

关键词：超大跨度悬索桥轻型组合梁温度场模拟温度梯度整体计算方案比选