基于Küssner函数的不同气动导纳模型对大跨桥梁抖振响应的影响

采用Küssner类型函数对抖振力以及气动导纳在时域内进行模拟。对某大跨度悬索桥初步设计方案进行了风洞试验,得到该桥梁加劲梁断面的气动导纳。以试验气动导纳以及基于二维薄机翼理论的Sears气动导纳为基础进行了参数识别,得到相应的Küssner函数参数值。根据识别得到的Küssner函数,分别在时域内计算了考虑Sears气动导纳、试验气动导纳以及不考虑导纳时的抖振位移响应。分析结果表明采用Küssner函数法可灵活地将频域内的气动导纳转换为时域函数,从而便于考虑各类非线性后进行动力有限元分析。数值算例结果表明,当不考虑气动导纳时会得到显著偏大的抖振结果。考虑气动导纳时,基于Sears函数的抖振响应又明显高于基于试验导纳的抖振响应。因此,即使是对于采用类平板扁平箱梁的大跨度桥梁,其抖振响应分析宜采用试验测得的气动导纳代替广泛应用的Sears函数。     

典型流线桥梁断面缩阶微分方程抖振气动力模型

目前的桥梁断面气动力理论框架中,气动力通常采用Scanlan线性准定常公式和Davenport气动导纳概念对准定常抖振力进行修正。已有的研究表明,导纳函数随来流特性变化较为明显,对同一桥梁断面也没有统一适用的导纳函数表达。除此之外,抖振力非线性特性方面的理论研究亦为国际风工程前沿热点问题。结合上述两方面,以桥梁抖振分析的关键问题抖振气动力合理建模为出发点,建立了基于状态空间方程的非定常、非线性时域抖振力模型。提出了能同时准确模拟非定常、非线性效应的纯时域气动力模型——缩阶微分方程抖振气动力模型。利用主动控制风洞试验技术进行桥梁节段模型抖振力荷载测量试验,对比研究了窄带和宽带谐波来流条件下的桥梁断面气动力荷载的非定常、非线性特性。     

输电塔气动力系数和气动导纳风洞试验研究

输电塔结构的非定常抖振力与来流风速之间存在复杂的非线性关系,基于风洞试验得到的某1 000 k V格构式直线输电塔弹性模型的基底力以及参考高度处同步采集的风速时程,采用线性和高斯两种近似假定计算了非定常气动力系数并与试验值进行了比较;提出了包含结构气动阻尼效应在内的总气动导纳的概念,通过基底脉动力谱和来流脉动风速谱的比值对总气动导纳函数进行识别,并用基于频域相干函数对导纳函数的线性部分进行了估计。结果发现,风偏角线性近似所计算静气动力系数的偏差较高斯近似小;由于气动抖振力非定常性质明显,不考虑总气动导纳函数将高估输电塔模型的抖振响应;脉动风力与脉动风速间有较强的非线性关系,用线性导纳函数计算的抖振力谱将低估脉动风分量的影响。     

考虑多分量气动导纳的抖振响应敏感性

对于类流线型箱梁桥梁断面,采用抖振频域分析方法和气动弹性节段模型测振风洞试验,初步验证了互谱法识别的多分量气动导纳函数结果的正确性和工程适用性。结合可靠度理论敏感性算法,系统评价了来流风速参数、模型参数、静风力系数、导纳函数和颤振导数等对于二维节段模型抖振响应的贡献率分布关系,更正了工程应用中采用单一分量导纳函数假定带来的对抖振气动力表达式认识上偏差。     

矩形断面抖振力展向相关性的试验研究

为了研究紊流作用下钝体的非定常气动力(抖振力),以矩形断面为例,通过测压试验研究不同紊流积分尺度下的非定常气动力的分布特性,并结合理论分析方法研究了现有导纳识别方法的缺陷,进而提出基于三维统计理论的两波数三维导纳初步识别方法。结果表明:对于矩形这类钝体断面,其在紊流下的抖振力特性与流线型箱梁(桥梁主梁)接近,即抖振力的相关性高于脉动风速的相关性,且与紊流积分尺度成正比。另外,理论分析结果与实测数据间存在较大的差异,进一步表明传统的二维导纳函数无法反映真实的非定常气动力展向分布情况,而两波数的三维导纳则可揭示展向不同尺度漩涡都对抖振力的贡献。     

桥梁抖振时域和频域分析的一致性研究

为考查时域分析方法用于桥梁抖振分析的可行性和可靠性,基于相同的分析参数,分别采用时域和频域分析方法对一斜拉桥的抖振响应进行分析,并从结构振动型态、抖振响应均方根及抖振响应功率谱密度函数三个方面对时域和频域分析结果的一致性进行了较详细的比较。时域抖振响应分析中,采用谱解法模拟了斜拉桥的脉动风场,抖振力采用准定常表达形式,自激力采用Y.K. Lin 表达形式。由于自激力的存在,结构的运动方程为非线性,提出了一种迭代方法来考虑自激力引起的非线性。采用Newmark-β方法进行积分计算。频域抖振分析采用多模态耦合分析方法。时域及频域抖振响应分析结果的一致性较好,这表明了大跨度斜拉桥时域抖振响应分析的可行性和可靠性。     

大跨度桥梁主梁节段模型非平稳抖振时域模拟与分析

针对台风非平稳性显著的特征,开展大跨度桥梁主梁节段模型非平稳抖振时域模拟与分析。基于准定常理论,拓展了桥梁非平稳气动力模型,并通过阶跃函数进行了非平稳自激力的时域化。在此基础上,采用谐波合成法模拟了台风非平稳脉动风场,从而进一步开展了主梁节段模型的非平稳抖振响应时域分析,并与平稳理论分析结果进行了对比。研究结果表明:非平稳气动自激力可采用二维阶跃函数法进行时域化,并通过时变平均风速反映流体记忆效应的强度;桥梁非平稳静风位移与抖振位移RMS值均明显大于平稳抖振分析结果。因此,台风作用下大跨度桥梁的抖振响应分析有必要充分考虑非平稳特征的影响。     

薄平板复气动导纳函数的试验与数值模拟研究

提出了一种分离频率识别复气动导纳的方法.首先推导了分离的单一频率下能够有效识别6个复气动导纳的理论公式;然后通过一种主动格栅产生顺风向和竖向的正余弦脉动分量,采用双天平水平测力装置测量模型上的抖振力;最后通过分析脉动风和抖振力的时程曲线,得到薄平板的6个复气动导纳函数,并与数值模拟结果相比较.结果显示:气动导纳的试验值均小于数值模拟结果;Sears函数不能作为桥梁断面阻力导纳函数的近似值;复气动导纳相位的试验值与数值模拟结果基本接近.     

宽高比5∶1矩形断面涡激振动锁定区间内涡激力展向相关性分析

涡激力展向相关性是准确预测三维柔性结构涡激振动振幅的重要因素。以宽高比5∶1矩形断面为例，通过气动力展向相关函数理论建模和节段模型弹性悬挂测振、测压风洞试验，研究了涡激振动锁定区间内实测气动力展向相关性变化规律。研究结果表明：在涡激振动锁定区间内，实测气动力由完全相关的自激力和不完全相关的随机气动力组成，展向相关性可以用指数加常数型函数描述，指数项系数为随机气动力占实测气动力的能量比，指数项系数和常数之和等于1；实测气动升力均方根在涡振起振阶段最大，随着风速增大反而减小，随机气动力均方根基本保持不变，由此导致实测气动力展向相关性表现为起振阶段最强，随着风速增加而减弱。     

矩形断面主梁涡激振动气动力展向相关性试验研究

桥梁主梁结构涡激振动具有三维特性,主梁涡激力沿展向并不完全同步。在均匀流场条件下针对宽高比为5的矩形断面主梁分别进行了振动状态和静止状态风洞试验,对其气动力、尾流风速、表面压力展向相关性等进行研究。结果表明:振动状态矩形断面主梁气动力展向相关系数比静止状态大,涡振锁定区内升力系数相关系数最大值位于锁定区间上升段而非振幅最大处。振动状态矩形断面主梁尾流区顺风向及竖向脉动风速展向相关系数小于其气动力展向相关系数;静止状态矩形断面主梁尾流区顺风向脉动风速和竖向脉动风速展向相关系数沿展向距离呈指数衰减,且不同风速下对应的衰减曲线比较接近。     

不同约束情况下双矩形断面的涡振性能分析

双矩形断面间存在显著的气动干扰效应。通过开展一系列节段模型测振和动态测压风洞试验研究宽高比为5∶1的双矩形断面的涡振性能;经测振试验得到上、下游断面均固定、仅上游断面固定、仅下游断面固定和两幅断面均自由4种情况下双矩形断面的涡振响应;并从平均风压系数分布、脉动风压系数分布、分布涡激气动力与整体涡激气动力的相关系数、分布涡激气动力的贡献系数以及卓越频率处的涡激气动力系数幅值等时域和频域统计特性分析了双矩形断面的涡振机理。结果表明:两幅断面均自由时上游断面的涡振响应相比下游断面固定时有所减小,而下游断面的涡振响应相比上游断面固定情况下显著增大;固定与否对于下游断面竖弯和扭转涡振影响相比对于上游断面更加显著;双矩形断面迎风面和背风面分布涡激气动力对整体涡激气动力的的贡献较小,可以忽略其影响;上游断面下风侧区域以及下游断面上风侧区域的分布涡激气动力对整体涡激气动力的影响从相关系数、贡献系数以及卓越频率处的涡激气动力系数幅值等角度来看均较为显著。总体而言不同约束情况下统计参量分布较为类似,但数值上的差异不可忽略。     

桥梁断面气动导纳互谱识别方法注记

现存的各种气动导纳函数识别方法,为了便于求解忽略了脉动风速互谱的作用,且假定脉动风水平和竖向分量对抖振力导纳函数分量作用等效,识别过程缺少对算法系统和试验采样误差影响的标定,导纳函数识别结果缺少验证等诸多不足。针对上述问题,采用改进的互谱导纳识别方法,考虑了多种影响因素的共同作用,详细标定了算法系统和试验测量误差的影响,基于测量稳定性和精度较高的节段模型高频天平测力方法识别了流线型箱梁桥梁节段Scanlan抖振气动力全部六个导纳函数分量。     

考虑桥塔风效应的多塔斜拉桥抖振响应分析

该文以6塔斜拉桥——嘉绍大桥为研究对象,基于ANSYS瞬态动力学分析功能进行了嘉绍大桥风致抖振响应的非线性时域分析,研究了多塔斜拉桥主梁和桥塔在强风作用下的抖振响应特性,并详细考察了自激力和桥塔风效应对主梁和桥塔抖振响应的影响。分析结果表明:1) 主梁与桥塔的风致抖振响应与结构的振动特性联系紧密,其抖振响应由于主梁与桥塔的动力耦合作用呈现出一定的独特性;2) 考虑自激力后主梁竖向抖振响应明显减小,而对主梁横桥向和扭转抖振响应影响相对较小。同时,自激力对桥塔的横桥向抖振响应基本没有影响,但对桥塔的顺桥向抖振响应起到了明显的抑制作用;3) 桥塔风效应对主梁的竖向和扭转抖振响应以及桥塔的顺桥向抖振响应基本没有影响,但会对主梁和桥塔的横桥向抖振响应产生较大影响。     

基于尾流振子模型的桥梁节段至实桥涡激共振振幅转换关系

该文基于一种用于涡振模拟的两自由度经验模型（尾流振子模型）推导了桥梁节段至实桥涡振振幅转换关系。首先介绍了尾流振子模型的形式及其特点,其次从展向全相关及展向不完全相关两方面推导了节段至实桥涡振振幅转换关系,最后结合实际桥梁对上述过程进行了算例验证,并与现场实测结果进行了比较。研究表明:当不考虑涡激力展向相关性影响时,节段至实桥涡振振幅只与结构振型函数有关,尾流振子模型得到的转换关系与传统经验非线性模型得到的转换关系相同;当考虑涡激力展向相关性时,计算得到的实桥涡振振幅可能小于节段模型结果,涡激力展向全相关条件下得到的计算结果与现场实测结果更接近。因此,当缺少精确的涡激力展向相干函数时,假定涡激力展向全相关计算得到的实桥涡振振幅可能更为可靠。     

斜风作用下大跨度斜拉桥双悬臂状态抖振性能

通过气弹模型风洞试验对斜风作用下湛江海湾大桥施工阶段最长双悬臂状态的抖振性能进行了研究,结果显示:对于大跨度斜拉桥梁抖振响应法向风不一定是最不利的情况;抖振响应随风偏角呈非单调变化,最大值可能在0°~15°风偏角范围内发生;抖振响应随风速的增加近似地按两次曲线增加,并且基本固有模态对抖振响应的贡献占到了主要成份;最长双悬臂状态塔顶纵向抖振响应显著地大于裸塔塔顶纵向抖振响应,而两者随风偏角的变化形态也互不相同。试验和分析结果的比较表明,只要解决好诸如气动导纳等气动参数的取值问题,可以对大跨度桥梁抖振响应作出合理的理论预测。     

基于主动格栅脉动流场的抖振力测试与相关性研究

为了探究钝体断面在紊流作用下抖振力的相关性机理,以矩形桥梁断面为例,在主动格栅产生的脉动流场中,通过测压试验并结合不同相关性模型拟合方法,研究了在不同脉动频率下抖振力的空间分布特性。对比探究矩形桥梁断面在静止状态以及运动状态抖振力空间相关性的变化,并利用matlab进一步分解自激力与抖振力,以此来分析自激力对抖振力展向相关性的影响;同时,通过天平测力试验(同步测压)对比了两种不同测力方法的试验结果。试验结果表明抖振阻力跨向相关性伴随着频率和跨向间距的增大而减小,在气动自激力的影响下,抖振力的跨向相关性能得到一定程度的提高,并高于来流脉动风速的相关性。     

NACA0012翼型抖振现象实验研究

通过在风洞侧壁安装动态压力传感器测量侧壁脉动压力的方法针对NACA0012翼型开展了零攻角状态下跨声速抖振特性的实验研究,并测量了翼型沿弦向与展向的压力分布。从时域和频域两个方面分析了脉动压力结果,得到了NACA0012翼型的跨声速抖振起始马赫数和抖振频率等抖振特性。研究结果表明:风洞二维性较好,侧壁区域的压力情况能够反映核心流压力变化情况;抖振发生在实验马赫数Ma_exp = 0.88~0.89范围内;随着马赫数的增大,抖振频率有所增加。     

扁平箱梁涡激力的展向相关特性研究

针对扁平箱形断面梁,在均匀流场中进行了涡激振动节段模型风洞试验,研究了扁平箱梁涡激力的展向相关性。结果显示:在涡振锁定区的振幅下降阶段,升力的展向相关性随着振幅的减小而减弱;在涡振锁定区的振幅上升阶段,升力的展向相关性随着振幅的增大先增强后减弱,升力展向相关系数的最大值出现在振幅上升阶段的某个风速,而不是最大振幅对应的风速;均匀流场条件下,在涡振锁定区内,扁平箱梁涡激力的展向相关性不仅与振幅有关,也与来流风速值有关。     

双边肋桥梁断面软颤振非线性自激力模型

采用弹簧悬挂节段模型测振的方法,研究了双边肋桥梁断面的软颤振响应。试验中观察到明显的软颤振现象,软颤振发生在扭转模态内,以单自由度的扭转振动为主,弯扭耦合效应比较微弱。将颤振导数拓展为瞬时扭转振幅的函数,以计入自激力的非线性效应。参数识别结果表明,自激力的非线性主要体现为气动阻尼的非线性效应,气动刚度的非线性较弱。通过对比软颤振响应的计算值和试验值,初步验证了该自激力模型和参数识别结果的可靠性。根据气动阻尼和结构阻尼随瞬时振幅的变化关系,对软颤振的机理进行了探讨。     

大跨主梁沿跨向涡振Scanlan非线性模型应用

摘要 柔性大跨主梁在低速横风作用下易发生涡激振动,尽管不会导致毁灭性的破坏,但会引起结构疲劳或影响正常使用。基于Scanlan非线性涡振模型,引入Wilkinson涡激力相关性函数,推导大跨主梁沿跨向锁定状态竖向、扭转涡振一次理论近似解,分析相应气动参数识别方法。以一大跨斜拉桥为例,根据主梁节段模型涡振试验识别气动参数,计算沿主梁跨向竖向涡振响应。