Unsteady galloping of bridge decks during the launching phase

Chen, Cong

doi:10.24355/dbbs.084-202207151023-0

published

Unsteady galloping of bridge decks during the launching phase

English
German

The present work deals with the unsteady galloping instability, which arises at low reduced flow velocities, for steel-concrete composite bridge decks during the incremental launching phase. In this particular situation, the light weight and bluff shape of the steel box, which is normally first launched, imply a high proneness to the risk of unsteady galloping. The main goal of this thesis is to understand the unsteady galloping with respect to these special cross sections, which have not been investigated in depth before, and to develop an analytical approach for the modeling of unsteady galloping as a basis for design of bridges.

Wind tunnel tests on three sectional models, among which are a generic bridge deck model with typical open cross section and two reference cylinder models, confirmed the high proneness to unsteady galloping instability for the particular situation of bridge launching. Especially, the typical unsteady galloping which arises due to the interaction with Kármán-vortex induced vibration was observed at the 4 deg mean flow incidence of the bridge deck model, fixing the galloping onset at the Kármán-vortex resonance wind speed up to a quite high Scruton number (the mass-damping parameter). In contrast, at the null mean flow incidence of the bridge deck model, the unsteady galloping was initiated in less understandable manner.

Subsequently, mathematically modeling the unsteady galloping was carried out, with a modified form of Taumra’s nonlinear wake oscillator model. Satisfying predictions have been achieved not only for a 2:1 rectangular cylinder, but also for the bridge deck model at its 4 deg mean flow incidence. Attention was also paid to the so-called physical considerations in the wake oscillator model. Further modifications for the wake oscillator model were consequentially proposed, exhibiting better agreements with the physics of the near-wake of sharp-edged bluff body, maintaining at the same time a good capability for the predictions of unsteady galloping behaviors.

Finally, the wake oscillator model was further extended for continuous structural system, based on coupling multiple wake oscillators to the structural system via finite element method. A case study, concerning a steel-concrete composite bridge during the critical launching phase, was presented. Important role of the launching nose was revealed and possible suppression of galloping by optimizing the aerodynamics of the launching nose was highlighted.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der instationären Galloping-Instabilität, die bei geringen reduzierten Strömungsgeschwindigkeiten für Stahl-Beton-Verbundbrückenfahrbahnen während der Taktschiebephase auftritt. In dieser besonderen Situation ist die Gefahr des instationären Gallopings aufgrund des geringen Gewichts und der schrägen Form des Stahlkastens, der in der Regel zuerst aufgesetzt wird, besonders groß. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, das instationäre Galloping in Bezug auf diese speziellen Querschnitte, die bisher nicht eingehend untersucht wurden, zu verstehen und einen analytischen Ansatz für die Modellierung als Grundlage für den Entwurf von Brücken zu entwickeln.

Windkanalversuche an drei Querschnittsmodellen, darunter ein generisches Brückendeckmodell mit einem typischen offenen Querschnitt und zwei Referenzzylindermodelle, bestätigten die hohe Anfälligkeit für instationäres Galloping für die besondere Situation des Brückenvorschubs. Insbesondere wurde das typische instationäre Galloping, das durch die Wechselwirkung mit der wirbelerregten Schwingung entsteht, bei einem mittleren Anströmwinkel auf das Brückenmodell von 4° beobachtet, wobei das Einsetzen des Gallopings bei der Kármán-Wirbel-Resonanzwindgeschwindigkeit bis zu einer recht hohen Scruton-Zahl (dem Massendämpfungsparameter) festgelegt wurde. Im Gegensatz dazu wurde das instationäre Galloping bei einem mittleren Anströmwinkel von 0° ausgelöst.

Anschließend wurde eine mathematische Modellierung des instationären Gallopings mit einer modifizierten Form des nichtlinearen Nachlaufoszillatormodells von Tamura durchgeführt. Zufriedenstellende Vorhersagen wurden nicht nur für einen 2:1-Rechteckzylinder, sondern auch für das Brückendeckmodell mit einem mittleren Anströmwinkel von 4 Grad erreicht. Auch die sogenannten physikalischen Überlegungen im Nachlaufoszillatorrmodell wurden berücksichtigt. In der Folge wurden weitere Modifikationen für das Nachlaufoszillatormodell vorgeschlagen, die eine bessere Übereinstimmung mit der Physik des nahen Nachlaufs eines scharfkantigen Körpers aufweisen und gleichzeitig eine gute Eignung für die Vorhersage des instationären Galloping-Verhaltens aufweisen.

Schließlich wurde das Nachlaufoszillatormodell für kontinuierliche Struktursysteme erweitert, indem mehrere Nachlaufoszillatoren mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode an das Struktursystem gekoppelt wurden. Es wurde eine Fallstudie für eine Stahl-Beton-Verbundbrücke während der kritischen Vorschubphase vorgestellt. Die wichtige Rolle des Vorbauschnabels wurde aufgezeigt und die mögliche Unterdrückung des Galloping-Verhaltens durch aerodynamische Optimierungen des Vorbauschnabels hervorgehoben.