准运动水线三维连续弹性拉索风雨激振理论模型

以三维连续斜拉索为研究对象,推导了风雨激振发生时拉索在面内面外的运动微分方程,建立了准运动水线三维连续弹性拉索风雨激振的理论模型。为简化复杂问题,将水线的运动规律近似成正弦形式,并且假定水线平衡位置、水线振动幅值与来流风速的关系。首先将水线固定在拉索表面,得到了典型驰振的响应;接着详细研究了来流风速、水线振动频率、水线形成位置、风速剖面和拉索阻尼比等对三维连续拉索的风雨激振响应的影响。     

斜拉索风雨激振中拉索和水线之间的耦合运动

斜拉索风雨激振严重影响到斜拉桥的安全运营,但其机理至今仍无定论.如何假定水线与拉索表面之间的作用力是建立风雨激振理论模型的难点之一.假定水线与拉索表面之间作用力包括库仑阻尼力和线性阻尼力,推导了拉索和水线的运动微分方程,建立了三维节段拉索风雨激振理论分析模型.采用数值方法对拉索和水线运动微分方程进行求解,得到了拉索和水线的运动规律.结果表明:拉索振动具有"限速"、"限幅"的特征,并能够采用拉索竖向气动力的突降进行解释;水线在拉索表面的平衡主要是气动力和重力之间的平衡,拉索运动产生的附加惯性力为水线往复运动提供能量,而库仑阻尼力和线性阻尼力则消耗能量阻止水线从拉索表面脱落.     

斜拉桥拉索风雨激振的实验和理论研究

设计制作了可方便调节拉索模型倾角和风向角的试验装置以及用于测压试验的带人工雨线的拉索模型，在风洞中进行了试验，测量获得了具有典型倾角的拉索在不同风向角下，拉索和水线模型上的气动力。在此基础上，发展了三维刚性节段拉索模型和三维连续拉索风雨激振的理论模型。和以往的理论模型不同，在该模型中，分别建立拉索和水线的运动方程。应用这一理论模型，计算了拉索风雨激振响应，并分析了其机制。     

三维运动水线斜拉索风雨激振影响因素探究

风雨激振是斜拉索发生大幅振动的情况中较为典型的现象。水线运动规律及其受力情况的分析是建立风雨激振理论模型的难点之一。该文分别采用假定水线按正弦规律运动和进行受力分析建立水线运动方程两种模型与建立的拉索三维连续体模型进行联立,采用数值方法进行对比研究,得到了拉索和水线的运动规律,验证了二阶振动模态的影响可忽略的假设的合理性,讨论了水线振动幅度对拉索振幅的影响,发现拉索的振动幅值与水线的振动幅值正相关,考察了水线振动频率与相关参数(单位长度水线质量、风速等)的关系,研究了水线与拉索的振动相位关系,得到了较为合理的风雨激振现象的机理解释。     

风雨激振中拉索与水线耦合运动规律研究

在建立了水线运动与拉索振动相互耦合的三维连续弹性拉索风雨激振理论模型的基础上,通过振型分解,得到了以拉索各阶振型表示的拉索运动微分方程。利用该理论模型对实际拉索发生风雨激振时拉索和水线的运动规律进行了分析,结论表明:拉索风雨激振具有"限速"、"限幅"的特征;拉索的振动包含多阶拉索固有频率,拉索模态间相互耦合,并不断转化;水线沿拉索表面周向的运动具有一定的周期性,运动时程曲线并非呈正弦规律,其运动频率与拉索振动频率基本一致;水线沿拉索轴向分布不是一条直线,处于平均竖向气动力突降区的水线长度对拉索的振幅有较大的影响。     

滑移理论在斜拉索风雨激振两自由度模型研究中的应用EI北大核心CSCD

考虑斜拉索顺风向振动的影响,基于滑移理论建立斜拉索风雨激振两自由度模型。借助计算流体力学软件Fluent求解水膜运动方程中的风压力系数和风摩擦力系数。通过数值求解耦合的水膜运动方程和拉索振动方程,分别研究风雨激振过程中拉索表面水膜形态变化(水线运动)特性、拉索气动升力和阻力变化规律以及拉索横风向与顺风向振动响应。在此基础上,分析三者之间的内在联系,揭示风雨激振的产生机理,即:水线在斜拉索表面的周期性振荡导致拉索升力和阻力的周期性变化,从而引起拉索横风向和顺风向的大幅度振动,而斜拉索在两个方向的周期性振动反过来又会加强水线的周期性振荡;水线与斜拉索间的共振是产生风雨激振现象的主要原因。     

滑移理论在斜拉索风雨激振两自由度模型研究中的应用

考虑斜拉索顺风向振动的影响,基于滑移理论建立斜拉索风雨激振两自由度模型。借助计算流体力学软件Fluent求解水膜运动方程中的风压力系数和风摩擦力系数。通过数值求解耦合的水膜运动方程和拉索振动方程,分别研究风雨激振过程中拉索表面水膜形态变化(水线运动)特性、拉索气动升力和阻力变化规律以及拉索横风向与顺风向振动响应。在此基础上,分析三者之间的内在联系,揭示风雨激振的产生机理,即:水线在斜拉索表面的周期性振荡导致拉索升力和阻力的周期性变化,从而引起拉索横风向和顺风向的大幅度振动,而斜拉索在两个方向的周期性振动反过来又会加强水线的周期性振荡;水线与斜拉索间的共振是产生风雨激振现象的主要原因。     

斜拉索风雨激振的数值模拟研究

为研究斜拉索风雨激振的发生机理,该文对带固定水线的斜拉索二维模型进行CFD 数值模拟,得到了气动力系数随上水线位置变化的曲线,并分析了上水线对拉索气动特性的影响。将CFD 计算得到的气动力系数曲线代入风雨激振二维两自由度模型中进行数值求解,实现了对风雨激振现象的完全数值模拟。然后对比风雨激振人工模拟降雨风洞试验测得的结果,分析了平均风速和脉动风速的影响。研究表明,上水线的振荡是诱发风雨激振的主要原因,且考虑风速脉动后的斜拉索振动及水线振荡更接近试验结果。     

连续弹性拉索风雨激振理论模型研究

假设水线与拉索表面之间存在着库仑阻尼力和线性粘滞阻尼力,建立了水线运动与拉索振动相互耦合的连续弹性拉索风雨激振理论模型。通过振型分解,获得了以拉索各阶振型表示的拉索振动方程和水线运动方程。采用龙格-库塔法对拉索和水线运动方程进行数值求解,得到了拉索和水线的响应。对计算结果的分析表明:当拉索大部分长度处于起振的敏感风速范围内时,风雨激振发生。此时水线在拉索表面形成,且大部分拉索处于竖向平均气动力系数突降区。拉索振动包含拉索多阶固有振型,且振型间相互转化。地面粗糙度指数和来流风速的大小对拉索的振幅和参振振型有重要的影响。     

阻尼器对拉索风雨激振的控制效果研究

斜拉桥拉索风雨激振的机理目前还没有定论,人们采取了许多控制风雨激振的措施,在拉索端部安装阻尼器就是最常用的方式之一。在作者建立的三维连续拉索风雨激振理论模型的基础上,建立了阻尼器控制三维连续拉索风雨激振的新理论模型。首先研究了有限差分法中处理阻尼器产生的狄拉克函数的近似方法;然后进行了两端不在同一水平的带阻尼器拉索的自由振动分析;最后,采用准运动水线模型和运动水线模型,研究了阻尼器对拉索风雨激振的控制效果,详细分析了阻尼器空间位置、拉索垂度等对阻尼器控制效果的影响。     

临界雷诺数下带人工水线斜拉索气动性能研究

通过风洞试验,在临界雷诺数下,研究带上水线拉索模型的气动性能。测得不同风向角下拉索表面风压分布情况,得到作用在拉索模型上的气动力系数,分析临界雷诺数下拉索的气动稳定性。研究表明:基于准定常假定,在临界雷诺数下,拉索发生风雨激振的可能性较亚临界区低;上水线改变了拉索表面的流体分离并出现分离流再附现象,导致拉索气动力随上水线位置的改变而发生剧烈变化。     

索结构风雨振的动力学行为研究

研究带有运动上水线的两个自由度的索结构风雨振模型,假定索结构振动频率与上水线振动频率相同,利用符号代数语言Mathematica对系统进行数值分析。讨论了密度比、索结构阻尼、偏航角等因素对系统运动的影响,对工程中出现的类似问题提出相应的解决方案。同时得到了索结构和水线的运动相图,结果表明:它们的运动均收敛于稳定的极限环。借助计算规范形程序得到了系统的简化的平均方程,进一步验证了系统存在的定常解。     

索端激励对斜拉索风雨致振动性能的影响

实际斜拉索的振动可能是风-雨致振动和参数振动的组合, 索端激励对斜拉索风-雨致振动性能有一定影响。将索端激励转化为作用在斜拉索上的弹性力和惯性力, 建立了斜拉索风-雨致振动和参数振动的组合分析模型, 在讨论了参数振动模型和斜拉索风-雨致振动的特性后, 探讨了索端激励对风-雨致振动振幅、水路运动以及达到最大振幅所需时间的影响。结果表明:在一定的频率范围内, 索端激励的存在会改变斜拉索风-雨致振动幅值和水路运动幅值随时间变化的特性, 并能促进斜拉索风-雨致振动的发生。     

拉索风雨激振的多模态耦合及面内-面外振动

在假设拉索表面与水线之间作用着库仑阻尼力和粘滞线性阻尼力的基础上,建立了能够反映拉索面内-面外振动的带运动水线的连续弹性拉索风雨激振理论模型。通过振型分解,获得了以拉索面内-面外各阶模态表示的拉索运动微分方程。利用该理论模型对洞庭湖大桥S19拉索进行了分析,结果表明：拉索风雨激振是多模态的耦合振动,振动过程中伴随着模态的转移;面内振动和面外振动同时发生,通常情况下面内振动占据优势;拉索截面运动的轨迹是一个斜置椭圆,或是几个斜置椭圆交织在一起;风速对拉索振动偏振角有较大影响;拉索最大振幅发生的位置随参振模态的变化而改变     

斜拉索表面水线多相复杂摆动对索气动稳定性的影响

风雨环境中斜拉索表面形成的水线及其周向摆动在索的风雨振中起着关键的作用。实桥的斜拉索表面形成的水线位置沿索轴向有可能不均一,各部分水线的摆动可能存在位相差。该文通过振动分析得到水线摆动对索振动阻尼贡献的关系式,利用风洞试验测试了索的气动力并算得颤振导数,按水线位置分布均一和不均一,将水线分别简化为一段直线模型和两段位置不同的直线模型,分析了均一水线摆动和不同位相差的两段直线形水线摆动对索振动的影响,结果表明:单一水线摆动是否促使索变得气动不稳定,取决于水线摆动与索振动之间的位相差;不均一水线摆动时,两水线的位相差越小,摆动的效果越明显,位相差越接近180°,两水线摆动效果越趋向于相互抵消,此时水线的作用主要由水线摆动范围的中心位置决定。     

带有纵向肋条斜拉索的风雨激振减振机理研究

基于滑移理论,推导耦合的水膜运动方程和斜拉索运动方程,得到了可用于分析任意横断面外形斜拉索的风雨激振理论模型;并建立带有两个纵向肋条的斜拉索外形,通过对方程组进行求解分析水膜形态、斜拉索升力及斜拉索振动响应之间的相互联系,探究其减振机理。结果表明:带有两个肋条的斜拉索虽不能抑制上水线的形成,但与圆形横断面斜拉索的相比,使上水线厚度变薄,并且阻碍水线沿斜拉索表面的周期性滑落,扰乱其与斜拉索振动的频率相关性,使得斜拉索升力周期性特性减弱,从而抑制斜拉索在横风向的大幅度振动,阻碍风雨激振现象的产生。