大跨度钢箱梁悬索桥涡振与颤振可靠度研究
铁路跨线钢箱梁人行天桥舒适度评价与振动控制研究（学位论文）
Senior Engineer. Chen Junwu
Chang’an University, Xi’an, China
摘要
随着我国“十二五”规划的实施，国家铁路网建设进入一个新的快速发展的历史时 期。在这期间铁路的新建及既有铁路的提速和电气化改造，使得跨越铁路线的桥梁建设 也日益增多。随着钢结构应用领域的拓展，简支钢箱梁桥已成为跨线天桥最常用的结构 型式，其振动舒适性问题是铁路站房设计中的一个难点，能否满足规范中对振动舒适性 的要求，成为天桥设计过程中的关键所在。本文结合实际工程，应用有限元软件 SAP2000，对人行天桥进行了静力分析、模态分析、动力响应分析、舒适度评价、振动 控制等方面的研究，研究内容和结论主要有：
1.利用软件 SAP2000 建立了锡铁山站跨线旅客天桥的整体模型，对其进行静力分析 和模态分析，得到该桥的内力、挠度、应力比、自振频率等参数，均满足规范要求。
2.对天桥进行了动力响应分析，得到该桥的加速度、速度、位移等动力响应值的时 程曲线，行人步频越接近桥的自振频率，动力响应值的峰值越大。
3.结合烦恼率与加速度的关系曲线，对梁高为 1650 mm 和 1250 mm 的两种天桥作了 竖向、侧向和横向的舒适度评价，竖向烦恼率远大于侧向和纵向，两种梁高的竖向烦恼 率分别为 61.16%和 63.62%。
ing the software SAP2000, the integra medel for Xitieshan station passenger footbridge across the line is created. After static analysis and modal analysis, the bridge forces, deflection, stress ratio, natural frequency and other parameters, meet the specifications requirements well.
大跨径悬索桥风致振动及抗风措施
大跨径悬索桥风致振动及抗风措施摘要：悬索桥以主缆为主要承重结构具有跨越能力大、雄伟壮观、造型优美等优点而成为大跨径桥梁结构首选桥型之一。
但随着跨度的增大，悬索桥的刚度变小，对风的敏感性越来越大，对抗风要求也越来越高。
大跨度悬索桥在风荷载的作用下，主要构件会产生各种形式的振动。
简述了国内外悬索桥抗风的发展和研究历史，分析了悬索桥风致振动的形式，并提出增强结构刚度、抑制风致振动的抗风措施。
关键词：大跨径悬索桥、风致振动、抗风措施1 前言悬索桥是以缆索为主要承重结构的桥梁结构，由于其强大的跨越能力，成为跨越宽大江河、海湾的首选桥型之一。
我国修建悬索桥的历史久远，早在千年之前，四川就已出现竹索桥。
明清时期，在我国西南地区，修建有诸多铁索桥，有些索桥至今仍在使用，著名于世的有贵州盘江桥和四川泸定桥。
在国外，也存在古老的悬索桥，如麦地海峡桥和克里夫顿桥。
20世纪初，国外欧美等国家经历了工业革命，加上悬索桥计算理论的初步形成，使悬索桥得到迅速的发展。
由于缺乏对空气动力学的研究，1940年，美国塔科马桥被风摧毁而倒塌。
此后十年，悬索桥的建设进入了停滞期。
在塔科马老桥风毁后，人们意识到悬索桥抗风设计的重要性，开始进行很多风洞试验以探索悬索桥抗风措施。
抗风研究阶段后，世界各国为了适应日益增长的交通量和经济发展，兴起了修建大跨径悬索桥的高峰。
我国在90年代后，国家加强基础建设水平，悬索桥的发展迅猛，东南沿海地区地区和长江内河等地修建了诸多大跨度的悬索桥，如今建设已经走在了世界的前列。
但悬索桥由于跨径的增大，刚度减小，柔性问题突出，承受风荷载的能力逐渐减小，极易被风摧毁。
悬索桥的风毁破坏属于脆性破坏，破坏前是难以预测和预警。
因此，深入了解桥梁与风作用后效应，进行科学合理的抗风设计，采取有效的抗风措施提高桥梁的抗风能力，对于悬索桥的建设和发展具有十分积极的现实意义。
2 大跨度悬索桥风致振动形式风是指空气由于太阳加热不均匀而引起的流动，具有一定的速度与方向。
大跨度悬索桥振动实属正常
大跨度悬索桥振动实属正常作者：暂无来源：《发明与创新·大科技》 2020年第6期5月5日下午，虎门大桥悬索桥发生明显竖向弯曲振动现象，大桥管理方联合交警部门采取了交通管制措施。
5月13日，经过多方联合检查、检测和安全评估，确认大桥悬索桥结构安全，同意恢复交通运营。
5月15日，广东省交通集团“官宣”：虎门大桥上午9时恢复交通。
专家表示，现在开通大桥，符合通车的安全性标准，桥梁没有安全问题，而且舒适性方面也没有问题。
桥体振动的原因桥体振动的原因到底是什么？后续仍有振动又是为何？5月15日，国际桥梁与工程协会主席、同济大学教授葛耀君，西南交通大学教授廖海黎两位专家组成员在虎门大桥管理中心回应了公众关心的问题。
葛耀君表示，5月5日下午桥体的明显振动原因基本查明：由于沿桥梁边护栏连续设置的水马改变了钢箱梁气动外形，在特定的风况条件下，诱发悬索桥发生竖向涡激共振。
当天，大桥管理方拆除水马后，振幅明显减小，频率降低。
5月6日上午，虎门大桥再次出现振动，振动幅度肉眼可见。
为什么撤了水马后，桥梁还在继续振动？专家表示，再次发生涡振的原因与第一次不一样。
持续较长时间、较大振幅的涡振导致了桥梁结构阻尼下降。
通俗地讲就是摩擦力减少，可以使运动加速。
即使拆除了水马，特定风况下空载桥梁仍有可能发生涡振。
桥梁振动有多种形态“振动是桥梁的固有特性，桥梁也是一种弹性系统，在外界荷载的激励下，系统会在弹性力和惯性力的作用下以其固有频率和相应的固有振型进行往复的固有振动。
”重庆亚派桥梁工程质量检测有限公司技术副总周逸称，通俗来说，桥梁振动是正常现象，只要在合理范围内，不用过于担心。
“桥梁振动有波浪形态，还会出现横向摆动、扭转等形态，这主要是由于风致振动产生的驰振、颤振、抖振而引起的不同响应状态。
”周逸表示，所有桥梁都会发生振动，只是不同的桥梁类型、跨径，其振动的幅度不一样，给人的直观感受不一样。
振动的发生需要靠外界荷载的激励，如在车辆动荷载和个别情况下人群动荷载、风力和地震地面运动作用下，桥梁结构会产生振动。
悬索桥梁的风致振动控制与减震
02
调谐液体阻尼器（ TLD）
利用液体的晃动效应来耗散振动 能量，适用于大跨度桥梁的横向 振动控制。
03
粘弹性阻尼器
通过粘弹性材料的剪切变形来耗 散能量，具有稳定的耗能能力和 良好的耐久性。
主动控制方法
主动质量阻尼器（AMD）
通过实时测量结构响应并主动施加反向振动，以抵消风致振动的 能量。
01
02
03
结构疲劳
长期的风致振动会导致桥 梁结构疲劳损伤，降低结 构的承载能力和使用寿命 。
行车安全
风致振动会影响桥梁的行 车安全，如涡激振动可能 导致桥面晃动，影响行车 稳定性。
结构稳定性
严重的风致振动可能导致 桥梁结构失稳，甚至引发 灾难性后果。
03
风致振动控制方法与技术
被动控制方法
01
调谐质量阻尼器（ TMD）
风力发电装置（WEC）
将风能转化为电能，同时产生反向扭矩以抵消风致振动的能量。
主动拉索控制
通过调整拉索的张力，改变结构的刚度和阻尼特性，从而实现对风 致振动的主动控制。
混合控制方法
1 2 3
主动与被动混合控制
结合主动和被动控制方法的优点，通过主动控制 提高系统的性能，同时利用被动控制保证系统的 稳定性和可靠性。
2 跨海大桥等特殊桥梁的抗风设计
针对跨海大桥、高墩大跨桥梁等特殊桥梁结构，研究有 效的抗风设计方法和控制策略。
3 精细化建模与仿真
发展精细化建模和仿真技术，更准确地模拟桥梁在复杂 风环境下的动力响应，为风致振动控制提供理论支撑。
4 跨学科合作与创新
加强土木工程、力学、材料科学、计算机科学等学科的 交叉融合，推动悬索桥梁风致振动控制与减震技术的创 新发展。
大跨度拱桥施工期王跨缆索可靠度分析法研究
大跨度拱桥施工期王跨缆索可靠度分析法研究随着城市建设的不断推进和经济发展的迅猛增长，大跨度拱桥已经成为城市中不可或缺的重要交通工程。
而大跨度拱桥的施工期对整个工程的质量和进度起着至关重要的作用。
在大跨度拱桥的施工中，缆索是承担桥梁自重和荷载的重要构件，其可靠度的高低直接影响到整个桥梁的安全和稳定性。
因此，对大跨度拱桥施工期缆索的可靠度进行深入研究和分析具有重要的意义。
本文通过对大跨度拱桥施工期王跨缆索可靠度分析法进行研究，主要内容如下：1.大跨度拱桥的特点和应用首先，本文介绍了大跨度拱桥的特点和应用。
大跨度拱桥是一种跨度较大的拱形结构桥梁，其特点是结构简洁、美观、承载能力强、耐久性好，适用于河流、山谷等宽跨越沟壑的地区。
大跨度拱桥在城市中的应用越来越广泛，成为城市发展的重要交通枢纽。
2.大跨度拱桥施工期缆索的作用和重要性其次，本文详细介绍了大跨度拱桥施工期缆索的作用和重要性。
缆索是大跨度拱桥的重要结构组成部分，承担着桥梁的自重和荷载，起到连接和支撑的作用。
缆索的可靠度直接影响到整个桥梁的安全和稳定性，因此必须对其进行深入的研究和分析。
3.大跨度拱桥施工期缆索可靠度分析方法接下来，本文介绍了大跨度拱桥施工期王跨缆索可靠度分析方法。
在工程实践中，通常采用蒙特卡洛模拟法、有限元法等方法对缆索进行可靠度分析。
在本文中，采用蒙特卡洛模拟法对大跨度拱桥施工期缆索的可靠度进行分析，通过大量的随机模拟实验数据，得出缆索的可靠度参数，为工程实践提供可靠性分析的依据。
4.实例分析最后，本文通过实例分析说明了大跨度拱桥施工期缆索可靠度分析方法的具体应用。
通过对大跨度拱桥王跨缆索的可靠度分析，得出了缆索的安全系数和疲劳寿命等重要参数，为工程实践提供了可靠性评估和安全设计的依据。
综上所述，大跨度拱桥施工期王跨缆索的可靠度分析是一项重要的研究工作，对于确保大跨度拱桥的安全和稳定性具有重要的意义。
希望通过本文的研究和分析，能够提高大跨度拱桥施工期缆索的可靠度，确保工程质量和安全，促进城市交通建设的快速发展和进步。
大跨度悬索桥颤振的三维精细化分析
特性尤其是空气力非线性变化、风速空间非对称性分布和主缆气动力等因素对大跨度悬索桥颤振稳定性的影响显
著，必须在颤振分析予以准确考虑。
关键词：大跨度悬索桥;颤振稳定性;静风效应;风 25
文献标志码：A
DOI： 10.13465/j. cnki. jvs.2019.14.035
强，可能会对大跨度悬索桥的颤振稳定性构成不容忽视的影响。在线性颤振分析方法基础上，进一步考虑静风效
应、风速空间非均匀分布和主缆气动力作用等因素建立了精细化的大跨度桥梁三维非线性颤振分析方法,并编制
了相应的计算分析程序。以润扬长江大桥南汉悬索桥为例，通过精细化分析揭示了静风效应、风速空间分布非均
匀性以及主缆气动力等因素对大跨度悬索桥颤振稳定性影响的规律和程度。结果表明：静风作用引起的结构动力
第38卷第14期
振动与冲击 JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK
Vol. 38 No. 14 2019
大跨度悬索桥颤振的三维精细化分析
张新军，赵晨阳
（浙江工业大学建筑工程学院，杭州310023）
摘要：随着悬索桥跨径的增大，静风作用、缆索上的风荷载以及风速空间分布的非均匀性都随之明显增
Key words: long-span suspension bridge ； flutter stability ； static wind action ； wind speed spatial non-uniformity ；
aerodynamic load acting on main cables
悬索桥结构受力性能好,跨越能力强，是千米级主 跨桥梁工程的首要选择。随着桥梁工程建设由跨越大 江大河向近海连岛工程及跨越海峡和海洋等更广阔的 水域发展,悬索桥的跨径将进一步增大，潜在需求在 2 000-5 000 m 内⑴。
大跨度双幅连续钢箱梁桥涡激振动特性风洞试验研究
大跨度双幅连续钢箱梁桥涡激振动特性风洞试验研究秦浩;廖海黎;李明水【摘要】基于崇启大跨度连续梁桥，设计制作大尺度全桥气弹性模型，通过风洞试验对其在均匀流下响应进行研究，确定大跨度双幅钢箱梁连续梁桥涡激振动特性，分析双幅主梁产生两主涡振区机理，模拟外加结构阻尼对涡激振动减振效果。
结果可为大跨度双幅钢箱梁连续梁桥抗风设计提供参考。
%The long span continuous steel beam bridge,with low damping ratio and flexible structure is apt to produce vortex induced vibration.Based on the Chongqi long span continuous beam bridge,a large scale aeroelastic model of the completed bridge was designed and manufactured.By the wind tunnel test,the vortex induced vibration of the model,under uniform flow,was observed.Besides,the mechanism that leads to two main vortex vibration zones of the separate twin box girder was analyzed.The additional damping was implemented to reduce the vortex induced vibration. The results provide a reference to the wind-resistant design of large span continuous beam bridge.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2014(000)014【总页数】5页(P206-210)【关键词】大跨度;气弹模型;涡激振动;风洞试验;阻尼比【作者】秦浩;廖海黎;李明水【作者单位】西南交通大学风工程试验中心成都 610031;西南交通大学风工程试验中心成都 610031;西南交通大学风工程试验中心成都 610031【正文语种】中文【中图分类】U441.3大跨度钢箱梁连续梁桥由于阻尼小，在常遇风速下存在发生涡激振动可能。
考虑材料腐蚀的大跨径钢箱梁悬索桥疲劳可靠度分析
考虑材料腐蚀的大跨径钢箱梁悬索桥疲劳可靠度分析
丁亮
【期刊名称】《交通科技》
【年(卷),期】2024()1
【摘要】大跨径钢箱梁悬索桥受腐蚀疲劳影响显著,系统评估其疲劳可靠指标可极大保证其服役的安全性。
文中通过ANSYS APDL建立大跨径钢箱梁悬索桥非线性结构模型,引入腐蚀疲劳抗力和荷载效应时变模型,基于RBF神经网络模型建立考虑材料腐蚀的大跨径大跨径钢箱梁悬索桥疲劳可靠度分析方法,并以典型桥梁工程为例进行疲劳可靠度评估及材料参数敏感性分析。
结果表明,随着使用年限的增加,钢箱梁悬索桥桥面板和U肋位置腐蚀疲劳可靠指标逐年下降,在80年以后低于目标可靠指标3.7的要求,结构可能面临失效风险;钢材强度均值和弹性模量均值同钢箱梁悬索桥的桥面板及U肋位置腐蚀疲劳可靠指标成正比,而对应的变异系数呈反比变化。
疲劳可靠度评估时应重点考虑材料参数的影响。
【总页数】5页(P76-80)
【作者】丁亮
【作者单位】武汉综合交通研究院有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】U441.4
【相关文献】
1.大跨径双层钢桁梁悬索桥主桁杆件疲劳寿命评估
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5.大跨径双层悬索桥钢桁梁整体焊接节点疲劳分析与试验
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大跨度钢箱梁悬索桥涡振与颤振可靠度研究本文回顾了大跨度桥梁的发展概况,介绍了大跨度桥梁风致振动研究现状、动力可靠度研究现状以及颤振后状态的研究现状。
针对目前研究的不足,本文分别从三个方面展开深入研究。
对于涡振和线性颤振的可靠度研究,本文推导了极值I型分布函数的高斯数值积分公式,并利用基于最大熵原则的乘法降维法分析了大跨度桥梁涡振和线性颤振的可靠度;对于非线性颤振可靠度研究,本文基于CFD数值模拟的动网格技术识别了主梁的非线性颤振导数,并改进了传统的二维复模态颤振分析法,使其不仅可以计算主梁的颤振临界状态,还可预测主梁的颤振后运动状态。
最后将“乘法降维法”与“改进的二维复模态颤振分析法”相结合,分析了大跨度桥梁的非线性颤振可靠度。
本文的主要研究内容主要有:(1)回顾了大跨度桥梁的发展概况,阐述了风工程领域的研究现状,针对现有理论研究的不足,确定了本文的研究方向与研究目标。
(2)介绍了结构可靠度的基本理论及常用方法,并对比分析了现有可靠度分析方法的缺陷。
针对现有可靠度理论的不足,本文推导了极值I型分布函数的高斯数值积分公式,并将其应用至基于最大熵原则的乘法降维法,从而将该方法引入到风工程领域。
为了验证乘法降维法的计算精度与计算效率,还引入了两个数值算例(显示的极限状态方程与隐式的极限状态方程),并以Monte Carlo模拟结果作为验证标准。
(3)先介绍了涡激振动的基本概念,然后基于风洞试验测试了二维节段模型在不同风攻角下(-3~o、0~o和+3~o)的涡振响应,通过公式换算再将该涡振响应
转换到三维实桥。
利用条件概率将涡激振动的两种失效模式(涡振锁定风速失效模式和涡振振幅失效模式)综合地考虑为涡振刚度失效模式,将桥位处的风特性、涡激力参数、Strouhal数和Scruton数等参数视为随机变量,并利用基于最大熵原则的乘法降维法求解了大跨度桥梁在不同风攻角下各阶模态的涡振失效概率。
(4)先介绍了二维桥梁颤振理论及颤振导数的识别方法,然后基于CFD数值模拟识别了某大跨度流线型钢箱梁悬索桥的颤振导数,分别利用有限元法与经验公式法对该悬索桥进行颤振确定性分析与概率性分析。
(注意:概率性分析时,将有限元法与乘法降维法相结合,经验公式法与Monte Carlo相结合)结果表明:在确定性分析时,有限元法与经验公式法所得结果很接近,且经验公式法偏于保守;在概率性分析时,两种方法所得结果相差较大,二者误差可达4.65倍。
故经验公式法仅适用于初步的确定性分析。
(5)介绍了计算流体力学的基础知识,利用CFD中动网格技术研究了流线型钢箱梁断面非线性气动自激力,并在此基础上识别了主梁的非线性颤振导数。
然后基于两自由度耦合颤振理论,将运动振幅和非线性颤振导数引入传统的二维复模态颤振分析法并将原程序改进得到“颤振后状态分析程序”,使其不仅能计算主梁的颤振临界风速,还可预测主梁的颤振后运动状态。
其颤振后状态依次包含四个阶段,“颤振小振幅区”、“颤振振幅阶跃区”、“颤振振幅线性增长区”和“颤振发散区”。
最后,将“乘法降维法”与“颤振后状态分析程序”相结合,提出“非线性颤振可靠度分析方法”,从而分析了大跨度桥梁的非线性颤振可靠度。