2大跨度桥梁斜风颤振性能

同济大学土木工程防灾国家重点实验室SLDRCESLDRCE大跨度桥梁斜风颤振性能大跨度桥梁斜风颤振性能大跨度桥梁风致稳定性研究新进展和挑战大跨度桥梁风致稳定性研究新进展和挑战（二）（二）《《桥梁工程新进展桥梁工程新进展》》之一之一二、大跨度桥梁斜风颤振性能二、大跨度桥梁斜风颤振性能风致稳定研究新进展和挑战风致稳定研究新进展和挑战内容内容2.32.3扁平箱断面桥梁斜风颤振性能扁平箱断面桥梁斜风颤振性能2.52.5带挑臂双主肋断面桥梁斜风颤振性能带挑臂双主肋断面桥梁斜风颤振性能2.42.4扁平开口薄壁断面桥梁斜风颤振性能扁平开口薄壁断面桥梁斜风颤振性能2.12.1研究背景研究背景2.22.2斜风颤振节段模型试验方法斜风颤振节段模型试验方法2.72.7总结总结2.62.6桁架梁桥梁斜风颤振性能桁架梁桥梁斜风颤振性能二、大跨度桥梁斜风颤振性能二、大跨度桥梁斜风颤振性能风致稳定研究新进展和挑战风致稳定研究新进展和挑战2.12.1研究背景研究背景¾¾桥梁颤振的研究方法桥梁颤振的研究方法OO风洞试验方法风洞试验方法节段模型试验节段模型试验拉条模型试验拉条模型试验OO基于试验气动导数的基于试验气动导数的理论分析法理论分析法二维分析二维分析三维有限元分析三维有限元分析OOCFDCFD方法－还不成熟方法－还不成熟认为：法向风最不利认为：法向风最不利全桥气弹模型试验全桥气弹模型试验二、大跨度桥梁斜风颤振性能二、大跨度桥梁斜风颤振性能风致稳定研究新进展和挑战风致稳定研究新进展和挑战2.12.1研究背景研究背景（续）（续）¾¾直观考察开口断面直观考察开口断面OO一般具有外露的横梁一般具有外露的横梁OO对于法向风：对于法向风：外露横梁与风向一致外露横梁与风向一致对绕流的干扰可忽略对绕流的干扰可忽略OO对于斜风：对于斜风：外露横梁与风向存在一个夹角外露横梁与风向存在一个夹角对绕流有阻挡、扰动等干扰作用对绕流有阻挡、扰动等干扰作用气动性能可能变差气动性能可能变差斜风颤振临界风速可能低于风向风斜风颤振临界风速可能低于风向风二、大跨度桥梁斜风颤振性能二、大跨度桥梁斜风颤振性能风致稳定研究新进展和挑战风致稳定研究新进展和挑战2.12.1研究背景研究背景（续）（续）¾¾斜风作用下颤振分析斜风作用下颤振分析OO平均风分解法平均风分解法UβUN=UcosβUP=UsinβUcr(θ,β)=Ucr(θ,0°)/cosβ法向风最不利法向风最不利二、大跨度桥梁斜风颤振性能二、大跨度桥梁斜风颤振性能风致稳定研究新进展和挑战风致稳定研究新进展和挑战2.12.1研究背景研究背景（续）（续）OOScanlanScanlan单自由度扭转近似斜风颤振理论单自由度扭转近似斜风颤振理论Uβ斜截面正截面BMαseβB’=B/cosβα假设：法向风情况的气动片条理论仍适用于斜风的情况假设：法向风情况的气动片条理论仍适用于斜风的情况斜风气动导数定义为：斜风气动导数定义为：22*21(,,)(,,)2seBMKUBKAKUααβθρβθ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦&BKUω=二、大跨度桥梁斜风颤振性能二、大跨度桥梁斜风颤振性能风致稳定研究新进展和挑战风致稳定研究新进展和挑战2.12.1研究背景研究背景（续）（续）假设：斜截面为整截面的简单加长，气动性能相似假设：斜截面为整截面的简单加长，气动性能相似22*''222*o21''(,,)''(,')21''''(0,,')2seBMKUBKAKUBUBKAKUααβθρθαρθ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦⎡⎤≈⎢⎥⎣⎦&&''coscosBBKKUUωωββ===Uβ斜截面正截面BMαseMα’seβB’=B/cosβαα’二、大跨度桥梁斜风颤振性能二、大跨度桥梁斜风颤振性能风致稳定研究新进展和挑战风致稳定研究新进展和挑战2.12.1研究背景研究背景（续）（续）*o222'222*24*2(0,,')1(,,)(,,)cos2cos1(,,)21(,,)2seseAKBMKMKUBKUBUBKAKUBAKααθαβθβθβρβαρβθρωβθα⎡⎤⎛⎞=≈⎢⎥⎜⎟⎝⎠⎣⎦⎡⎤=⎢⎥⎣⎦≈&&&'cosααβ≈*o*222(0,,/cos)(,,)cosAKAKθββθβ≈44estmIBξρ≥斜风气动导数的近似公式斜风气动导数的近似公式Uβ斜截面正截面BMαseMα’seβB’=B/cosβαα’二、大跨度桥梁斜风颤振性能二、大跨度桥梁斜风颤振性能风致稳定研究新进展和挑战风致稳定研究新进展和挑战2.12.1研究背景研究背景（续）（续）OOScanlanScanlan近似理论的缺陷近似理论的缺陷单自由度扭装颤振理论，不适用于流线性断面的耦合颤单自由度扭装颤振理论，不适用于流线性断面的耦合颤振问题振问题对于非流线性断面，如：带横梁的开口断面，虽为单自对于非流线性断面，如：带横梁的开口断面，虽为单自由度扭转颤振，但一般情况下：由度扭转颤振，但一般情况下：*'*o22(,')(0,,')AKAKθθ≠没有通过试验方法直接研究桥梁斜风颤振稳定性没有通过试验方法直接研究桥梁斜风颤振稳定性斜风颤振临界风速估计结果的精度较差斜风颤振临界风速估计结果的精度较差OOScanlanScanlan的近似理论的几个算例显示法向风下的近似理论的几个算例显示法向风下的颤振临界风速接近最低值的颤振临界风速接近最低值二、大跨度桥梁斜风颤振性能二、大跨度桥梁斜风颤振性能风致稳定研究新进展和挑战风致稳定研究新进展和挑战2.12.1研究背景研究背景（续）（续）¾¾前期研究发现：青马桥的最低临界风速可前期研究发现：青马桥的最低临界风速可能发生在斜风情况能发生在斜风情况公路公路公路机场铁路41.00018.0002.35013.00013.4007.1004.3182.9140.4117.643公路二、大跨度桥梁斜风颤振性能二、大跨度桥梁斜风颤振性能风致稳定研究新进展和挑战风致稳定研究新进展和挑战2.12.1研究背景研究背景（续）（续）¾¾其它典型桥梁断面的斜风颤振性能又如何？其它典型桥梁断面的斜风颤振性能又如何？OO扁平箱形断面扁平箱形断面OO扁平开口薄壁断面扁平开口薄壁断面OO带挑臂双主肋开口断面带挑臂双主肋开口断面OO桁架梁桁架梁二、大跨度桥梁斜风颤振性能二、大跨度桥梁斜风颤振性能风致稳定研究新进展和挑战风致稳定研究新进展和挑战2.22.2斜风颤振节段模型试验方法斜风颤振节段模型试验方法¾¾模型安装模型安装OO内支架式弹簧悬挂内支架式弹簧悬挂OO串有小弹簧的水平钢丝，限制侧向位移串有小弹簧的水平钢丝，限制侧向位移二、大跨度桥梁斜风颤振性能二、大跨度桥梁斜风颤振性能风致稳定研究新进展和挑战风致稳定研究新进展和挑战2.22.2斜风颤振节段模型试验方法斜风颤振节段模型试验方法（续）（续）¾¾斜节段模型构造斜节段模型构造OO无端板无端板OO长宽比长宽比5~65~6β(L-Lc-2a+B*tan)/2a(L-Lc-2a+B*tan)/2LUamiddlesegmentendpartendpartsuspendedarmLcsuspendedarmBβββ二、大跨度桥梁斜风颤振性能二、大跨度桥梁斜风颤振性能风致稳定研究新进展和挑战风致稳定研究新进展和挑战2.22.2斜风颤振节段模型试验方法斜风颤振节段模型试验方法（续）（续）¾¾风偏角调节风偏角调节移动弹簧固定端移动弹簧固定端更改模型异形端块更改模型异形端块二、大跨度桥梁斜风颤振性能二、大跨度桥梁斜风颤振性能风致稳定研究新进展和挑战风致稳定研究新进展和挑战2.22.2斜风颤振节段模型试验方法斜风颤振节段模型试验方法（续）（续）¾¾风攻角调节风攻角调节cosmθθβ=31029625upperspringdownspringU0°3°5°-3°-5°θm±5°±3°±0°centralaxissymmetricaxisenddiaphragmofthemiddlesegmentsuspendedarm二、大跨度桥梁斜风颤振性能二、大跨度桥梁斜风颤振性能风致稳定研究新进展和挑战风致稳定研究新进展和挑战2.32.3扁平箱梁断面桥梁斜风颤振性能扁平箱梁断面桥梁斜风颤振性能¾¾南京长江三桥南京长江三桥~五跨斜拉桥:63+257+648+257+63m~混合式桥塔:主梁以上179.25m为钢箱结构主梁以下35.75m为预应力混凝土箱结构二、大跨度桥梁斜风颤振性能二、大跨度桥梁斜风颤振性能风致稳定研究新进展和挑战风致稳定研究新进展和挑战2.32.3扁平箱梁断面桥梁斜风颤振性能扁平箱梁断面桥梁斜风颤振性能（续）（续）¾¾南京长江三桥南京长江三桥（续）（续）检查车轨道176574204108076032057420428072037167350500+3x375+300=1475150300+3x375+50=1475401451112%2%320OOB/H=11.6B/H=11.6OO基频基频::ffvv==0.2348Hz0.2348Hz,,fftt=0.6205Hz=0.6205Hz二、大跨度桥梁斜风颤振性能二、大跨度桥梁斜风颤振性能风致稳定研究新进展和挑战风致稳定研究新进展和挑战2.32.3扁平箱梁断面桥梁斜风颤振性能扁平箱梁断面桥梁斜风颤振性能（续）（续）¾¾施工状态－无栏杆施工状态－无栏杆OO试验风向角试验风向角θmβ-5°-3°0°3°5°0°-5°-3°0°3°5°5°-4.98°-2.99°0°2.99°4.98°10°-4.92°-2.95°0°2.95°4.92°15°-4.83°-2.90°0°2.90°4.83°20°-4.70°-2.82°0°2.82°4.70°30°-4.33°-2.60°0°2.60°4.33°风攻角风攻角θθ二、大跨度桥梁斜风颤振性能二、大跨度桥梁斜风颤振性能风致稳定研究新进展和挑战风致稳定研究新进展和挑战0246810121416182022-6-5-4-3-2-1012345θm=-3oβ=0oβ=5oβ=10oβ=15oβ=20oβ=30oξt(%)Um(m/s)024681012141618-4-3-2-1012342.32.3扁平箱梁断面桥梁斜风颤振性能扁平箱梁断面桥梁斜风颤振性能（续）（续）OO扭转阻尼比－风速曲线扭转阻尼比－风速曲线θm=-5oβ=0oβ=5oβ=10oβ=15oβ=20oβ=30oξt(%)Um(m/s)0246810121416182022-4-3-2-1012345θm=0oβ=0oβ=5oβ=10oβ=15oβ=20oβ=30oξt(%)Um(m/s)0246810121416182022-6-5-4-3-2-1012345θm=3oβ=0oβ=5oβ=10oβ=15oβ=20oβ=30oξt(%)Um(m/s)02468101214161820-5-4-3-2-101234θm=5oβ=0oβ=5oβ=10oβ=15oβ=20oβ=30oξt(%)Um(m/s)二、大跨度桥梁斜风颤振性能二、大跨度桥梁斜风颤振性能风致稳定研究新进展和挑战风致稳定研究新进展和挑战2.32.3扁平箱梁断面桥梁斜风颤振性能扁平箱梁断面桥梁斜风颤振性能（续）（续）OO颤振临界风速－风偏角曲线颤振临界风速－风偏角曲线051015202530171819202122θ=-1o试验结果分解法结果Ucr(m/s)风偏角β(o)051015202530171819202122θ=0o试验结果分解法结果Ucr(m/s)风偏角β(o)051015202530151617181920212223θ=1o试验结果分解法结果Ucr(m/s)风偏角β(o)Cosinerule:Ucr(θ,β)=Ucr(θ,0°)/cosβ二、大跨度桥梁斜风颤振性能二、大跨度桥梁斜风颤振性能风致稳定研究新进展和挑战风致稳定研究新进展和挑战2.32.3扁平箱梁断面桥梁斜风颤振性能扁平箱梁断面桥梁斜风颤振性能（续）（续）OO颤振临界风速－风偏角曲线颤振临界风速－风偏角曲线（续）（续）05101520253013141516171819202122θ=3o