桥梁主梁断面18个颤振导数识别的三自由度强迫振动法

利用开发的全数控三自由强迫振动装置,发展桥梁断面18个颤振导数识别的三自由度强迫振动法。强迫振动装置的驱动系统由伺服电机、数字驱动器和独特的耦合运动机构共同组成,实现由电脑调节振动频率等参数及控制其各个自由度单独或耦合运动;采用时域最小二乘识别算法,通过单自由度、竖向和扭转两自由耦合以及三自由度耦合三种运动方式分别对宽厚比为1/22.5的平板断面以及两种典型的桥梁断面进行颤振导数识别。试验结果表明,该方法识别的平板断面颤振导数与Theodorsen理论值非常接近;桥梁断面颤振导数曲线比较光滑,与阻力有关的颤振导数也具有良好的趋势性,而且模型运动方式对桥梁断面颤振导数的影响很小。     

桥梁主梁断面气动耦合颤振分析与颤振机理研究

通过对系统竖向和扭转耦合振动运动方程的解耦,将系统振动参数的频率和阻尼比隐式地表达成桥梁断面颤振导数的函数形式,导出了二自由度耦合颤振分析方法。值得注意的是,在临界颤振的情况下颤振运动为等幅的谐波运动,因而在颤振临界点时该颤振分析方法理论上是完全精确的。将该分析方法的结果与系统特征值分析方法的计算结果进行比较,验证了该分析方法的可靠性和适用性。在此基础上,对典型桥梁断面气动耦合颤振的机理进行了研究。分析结果表明,对于典型扁平箱形桥梁断面来说,耦合颤振导数项对系统振动参数中频率的影响均较小,系统模态的气动阻尼比主要由直接颤振导数项和耦合颤振导数项A1A3构成。     

快速预测大跨度桥梁颤振临界风速的CFD-AM-CSD方法

提出一种基于CFD(computational fluid dynamics)计算和系统识别建立气动模型(aerodynamic model,简称AM),基于气动模型仿真和CSD(computational structural dynamics)耦合计算,快速预测大跨度桥梁颤振临界风速的CFD-AM-CSD方法。该方法先将桥梁在风作用下的流场处理成一个气动力系统,通过实现一种基于广谱激励强迫桥梁断面运动的CFD计算,并通过给定的桥梁运动位移和计算得到的气动力,基于系统识别获得桥梁主梁的气动力模型。然后将大跨度桥梁结构系统和主梁气动力系统组成AM-CSD气动弹性耦合系统,考察桥梁在初始位移激励条件和不同的来流风速下,耦合系统的位移和气动力响应之时域和频域特征,并最终预测大跨度桥梁的颤振临界风速。以主跨888m的虎门大桥为例,给出大桥的颤振临界风速和颤振形态,通过与风洞试验的对比,验证方法的可行性和高效性。     

风雨联合作用下大跨桥梁颤振稳定性试验研究

针对风雨联合作用下的大跨桥梁颤振稳定性,以一开槽双箱梁桥梁为研究对象,通过在大气边界层风洞中搭建的风雨联合作用试验系统,完成基于自由振动法的节段模型颤振试验。通过分析不同雨强下该桥梁主梁的颤振导数以及颤振临界风速,进而获取降雨对大跨桥梁颤振稳定性的影响规律。试验结果显示:颤振导数随雨强变化而变化,其中体现扭转气动阻尼特性的颤振导数变化较为显著,随雨强增大,颤振临界风速先增大后减小。试验结果表明:降雨对大跨桥梁的颤振导数以及颤振临界风速均有一定影响。     

桥梁颤振的随机有限元分析

在众多桥梁颤振分析的实验加理论方法中，ＰＫ－Ｆ法是一种通用性很强的等效颤振分析方法。本文以１８个气动导数的桥梁颤振分析ＰＫ－Ｆ法为基础，将随机有限元法应用于随机桥梁颤振分析中，着重研究自激气动力或气动导数的随机影响，建立了桥梁颤振分析的随机有限元法──随机有限元颤振分析方法，用该方法对江阴长江大桥的随机颤振进行了分析。     

大跨桥梁颤振自激力的强迫振动法研究

利用我们开发的国内第一个强迫振动法试验方法 ,研究了三种不同断面的桥梁颤振自激力特性和Scanlan提出的颤振导数理论的若干假定。研究表明 ,在实用风速范围内 ,颤振导数基本与测试频率、振幅无关 ;流线断面的自激力能基本符合Scanlan的线性假定 ,但钝体断面的自激力高次谐波分量大 ,明显具有对模型运动的非线性响应特征。     

大跨度桥梁结构耦合抖振响应频域分析

基于结构的固有模态坐标 ,提出了用于大跨度桥梁耦合抖振响应分析的有限元CQC(thecompletequadraticcombination)方法。在合理假设基础上 ,推导了桥梁结构的节点等效气动抖振力公式。应用随机振动理论 ,提出了桥梁结构节点位移和单元内力功率谱密度和方差的计算方法。该方法采用了含 18个颤振导数的气动自激力模型 ,可以考虑自然风的任意风谱和空间相关性以及桥梁抖振响应的多模态和模态耦合效应 ,且计算效率很高。此外 ,对主跨跨度 13 85m的江阴长江大桥的耦合抖振问题进行了分析 ,得出了一些结论。分析结果表明 ,在大跨度悬索桥中 ,多模态效应和模态耦合效应对主梁的竖向和扭转位移抖振响应有显著的影响     

印尼Suramadu大桥颤振试验与颤振分析

通过风洞试验研究印度尼西亚苏拉马都大桥钝体主梁断面的"软颤振"特性。基于2自由度和3自由度耦合信号,采用随机子空间方法和随机搜索方法,识别了主梁节段模型的18个颤振导数。通过颤振分析搜索得到颤振临界风速,并与试验结果进行了对比;分析了各颤振导数对颤振临界风速的影响。风洞试验证实,对于苏拉马都大桥,无论是成桥状态还是最大单悬臂施工状态,均会出现"软颤振";钝体主梁断面颤振形态不仅与断面形式有关,还与各种模态频率和质量相对比例有关,当存在不同组合时,既可能出现"硬颤振",也可能出现"软颤振"。分析结果表明,采用两种不同自由度耦合方式和两种识别方法识别得到的颤振导数吻合较好,两种识别方法的有效性和精度得到验证;对苏拉马都大桥颤振临界风速影响较为显著的颤振导数有H3*,A*1,A2*。     

大跨度桥梁多模态耦合颤振的自动分析

基于结构的固有模态坐标 ,提出了分析大跨度桥梁结构气动耦合颤振问题新的状态空间方法。为寻找颤振临界风速 ,采用了一种简单而实用的单参数自动搜索过程。在合理假设前提下 ,将系统的一般气动运动方程转化为一种复矩阵的标准特征方程 ,它仅包含两个变量。通过求解该特征值问题进行耦合颤振分析。该颤振分析方法是一种对折减风速的单参数搜索方法 ,它不需要预先选定颤振的参与模态 ,且对结构阻尼矩阵的形式无任何要求。该方法能提供系统各模态的频率和阻尼比随折减风速或自然风速而变化的全过程情况。应该指出 ,文中假设并不影响颤振临界状态的分析结果。此外 ,对主跨跨度 13 85m的江阴长江大桥进行了颤振分析 ,证实了该方法在实际应用中的可靠性和有效性     

大跨度桥梁颤振和抖振统一时程分析

针对传统的桥梁风振分析中对颤振和抖振分析分别处理的现象,提出了统一的颤振和抖振时程分析方法,并且考虑了结构的几何非线性和气动非线性.该方法以非线性有限元的直接积分法为基础,在研究中具体解决了随机风速场的模拟、耦合自激力的时域计算和统一的颤抖振时程分析流程等关键问题.纠正了过去时程分析方法不能同时处理颤振和抖振的理论缺陷,在时域中统一了颤振和抖振的分析方法,并编制了可视化分析软件Nbuffet.该方法和软件对大跨度桥梁风振分析具有重要意义.     

理想平板颤振导数的仿真识别

借助计算流体力学软件FLUENT,运用CFD的动网格技术,通过数值计算理想平板上的颤振自激力,成功识别了二自由度理想平板的8个颤振导数,并与Theodorsen理论解进行比较,分析了CFD数值仿真技术的可靠性与准确性,证明了该数值方法可应用于桥梁断面颤振导数的识别.     

大跨度桥梁气动稳定性数值计算模型与方法

大跨度桥梁气动稳定性研究目前主要采用直接风洞试验法和基于风洞试验识别参数的理论分析法.随着计算流体动力学和计算机硬件设备的不断发展,后者方法中的气动参数识别有可能用数值计算代替风洞试验,因此可望建立起一种大跨度桥梁颤振研究的纯理论计算方法.主要从自激气动力模型、颤振导数数值识别、二维与三维颤振分析方法3个方面简要介绍大跨度桥梁空气动力稳定性计算原理和方法,并通过对理想平板断面及其悬臂结构、H形截面及其上海南浦大桥、闭口箱梁及其瑞典H(o)ga Kusten桥的数值分析,总结和归纳现有数值计算原理和方法的主要问题及发展展望.     

风驱雨作用下桥梁主梁颤振节段模型试验研究

针对风驱雨作用下桥梁主梁的颤振问题,依据风驱雨作用和主梁振动特点,给出了分别考虑雨滴冲击和表面积水后的降雨相似关系,并探讨了其选取原则。选取大跨度桥梁较常采用的典型断面,通过节段模型试验模拟了风驱雨对主梁断面的颤振导数和颤振发生过程的影响。试验结果表明:主梁断面的颤振气动导数随雨强的变化无明显规律,各导数的变化量值相当,随风速增加,降雨引起的导数变化有所加大,但基本没有改变其随风速变化的整体趋势,试验雨强120mm/h时,模型颤振临界风速会有20%～30%左右的提高,但考虑雨强相似比后可以认为降雨对桥梁主梁的风致颤振失稳特征的影响基本可以忽略。     

桥梁断面颤振导数识别的加权整体最小二乘法

在已有研究的基础上 ,基于桥梁节段模型自由衰减振动记录 ,提出了一种识别桥梁断面颤振导数的新方法———加权整体最小二乘法 (WELS)。该方法将同一风速下多次自由振动记录作为一个整体 ,在整体残差平方和最小的意义上同时对该风速下多次竖向和扭转运动时程曲线进行非线性最小二乘拟合 ,获取多条自由振动曲线共同的阻尼和刚度信息 ,从而提高了颤振导数识别的精度。为了避免弱信号被强信号“淹没” ,并使各时程信号的识别误差相当 ,识别过程中对各试验记录引入了加权因子 ,使各试验记录在整体残差分析中具有相同权重。此外 ,该方法对多次试验记录同时进行拟合 ,在一定程度上减弱了个别信号中有色噪声对迭代收敛性的影响 ,增加了非线性最小二乘迭代过程的稳定性。为考查加权整体最小二乘识别方法的有效性 ,分别进行了两种断面形式的节段模型风洞试验     

大跨度桥梁多模态耦合颤振二分法全自动搜索

在分析和评价国内外对大跨度桥梁风致颤振研究的成果和目前各种常用颤振分析方法优缺点的基础上,基于结构的固有模态坐标,进一步完善了大跨度桥梁多模态耦合颤振的双参数搜索状态空间法。通过将结构和气流作为一个动态系统,最后将颤振问题归结为数学上一个非对称实矩阵的广义特性值问题。在求解中,风速搜索采用了二分法加速收敛技术,频率采用搜索迭代法,该方法可以按指定的搜索精度,迅速搜索到颤振临界风速和颤振频率,无须设定步长,且能真实地给出各阶模态频率和阻尼比随风速的全过程。最后对具有理想平板截面的悬臂梁进行颤振分析验证了本文方法的正确性,同时对总跨度1177m的香港汀九大桥进行颤振分析,计算得到的颤振临界风速基本与风洞试验结果基本一致,进一步表明本文方法的可靠性和高效性。     

形断面的压力分布特性对其颤振性能的影响

文中推导了采用模型表面压力来描述的颤振导数表达式,结合计算流体动力学方法,获取模型表面压力,分析颤振导数表达式中压力幅值和相位差的提取方法,研究模型表面压力分布特性对颤振导数以及颤振稳定性的影响。通过对模型进行合理分区,探讨模型表面不同区域对颤振导数的贡献,以此为基础分析了中央稳定板的抑振原理。研究结果表明,H形主梁上下表面旋涡的非对称分布造成了模型表面平均压力分布的非对称性,并使得模型产生顺时针转动力矩。当风速低于颤振临界风速时,对颤振导数A*2影响较大的分布压力会使模型产生逆时针转动力矩,从而维持了振动系统的平衡|而当风速达到颤振临界风速时,影响A*2的分布压力将会使模型产生顺时针转动力矩,因此破坏了振动系统的稳定性。     

H形断面的压力分布特性对其颤振性能的影响

文中推导了采用模型表面压力来描述的颤振导数表达式,结合计算流体动力学方法,获取模型表面压力,分析颤振导数表达式中压力幅值和相位差的提取方法,研究模型表面压力分布特性对颤振导数以及颤振稳定性的影响。通过对模型进行合理分区,探讨模型表面不同区域对颤振导数的贡献,以此为基础分析了中央稳定板的抑振原理。研究结果表明,H形主梁上下表面旋涡的非对称分布造成了模型表面平均压力分布的非对称性,并使得模型产生顺时针转动力矩。当风速低于颤振临界风速时,对颤振导数A_2~*影响较大的分布压力会使模型产生逆时针转动力矩,从而维持了振动系统的平衡;而当风速达到颤振临界风速时,影响A_2~*的分布压力将会使模型产生顺时针转动力矩,因此破坏了振动系统的稳定性。     

用调谐转动惯量阻尼器控制大跨度桥梁颤振研究

针对大跨度桥梁的颤振问题,研究了利用调谐转动惯量阻尼器(TRID)进行大跨度桥梁颤振的被动控制方法。建立了具有调谐转动惯量阻尼器的桥梁在均匀风场中的系统颤振运动方程,引入状态空间向量,求解颤振临界风速。以虎门大桥为对象,分析了TRID对提高临界风速的有效性及TRID参数对控制效果的影响。     

桥梁抗风设计的新概念——多振型耦合颤振

本文利用新发展的桥梁三维颤振分析的状态空间法,研究了各种结构体系与其颤振形态的关系,证实了多振型耦合颤振形态的存在性,通过定义振型相似指数,找出了已往理论的适用范围与条件,由此解答了桥梁风振研究中若干理论与应用方面的问题,对如何提高桥梁的抗风能力提供了一条新途径。     

风雨共同作用下平板模型的气动导数试验研究

气动导数是大跨桥梁结构颤振和抖振分析中确定颤振临界风速和抖振响应的重要依据。在实际中 ,强风(特别是台风 )一般总伴随着暴雨。但遗憾的是 ,目前所有的研究均是在均匀风场或紊流风场中识别气动导数 ,而没有考虑暴雨的作用。本文采用随机系统识别方法 ,在模拟的风雨共同作用条件下识别了薄平板模型的气动导数。初步研究结果表明 ,风雨共同作用下平板结构的气动导数明显不同于仅有风作用的结果。这一新发现值得研究人员和工程技术人员的重视