风雨激振时水线与拉索双向耦合的三维数值模拟

基于滑移理论推导出三维节段斜拉索气动升力的计算公式;考虑水线运动、气流变化和拉索振动之间的相互影响,将三维水膜运动方程与单自由度振动理论相结合建立双向耦合的三维风雨激振数学模型,研究三维刚性节段斜拉索表面水膜形态变化规律、拉索升力及其振动规律。结果表明:应用三维滑移理论模型数值模拟得到的拉索表面上下水线的位置、形态、厚度及环向振荡范围均与实验结果相近;上水线的环向周期性运动导致拉索升力周期性变化,二者步调一致且频率相同,均接近拉索自振频率,引发拉索大幅度自激振动。     

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.     

斜拉索风雨激振中拉索和水线之间的耦合运动

斜拉索的大幅振动问题,例如风雨振、干索驰振,是桥梁设计和研究人员关注的问题之一。为了防止风雨振的发生,在斜拉索表面设置螺旋线是一种常见措施。而在进行螺旋线直径、间距选取时,只关注其对风雨振的影响,未考虑对干索驰振的影响。为了明确不同螺旋线参数组合对风雨振、干索驰振振动特性的影响,通过风洞试验的方法,在风速6 m/s~50 m/s范围内,在有、无人工模拟降雨环境下对不同螺旋线参数组合斜拉索进行测振试验,得到斜拉索模型振幅随螺旋线参数的变化规律。研究结果表明：总体而言,设置螺旋线后,斜拉索振幅减小,但斜拉索的振幅并非随螺旋线直径单调改变,呈现先增大后减小的趋势,螺旋线直径增大到某一数值时,振幅最大,工程应用中应慎重选择螺旋线的直径;随着螺旋线间距的增大,斜拉索振幅逐渐减小,设置螺旋线后,干索驰振的振幅明显减小;对于同一间距,螺旋线直径改变对干索驰振的影响不明显,对于同一直径,螺旋线间距小于临界间距后,螺旋线间距的改变对干索驰振的影响不明显,螺旋线间距大于临界间距后斜拉索发生明显振动。     

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。     

拉索风雨激振机理及减振措施的研究

该文在已有理论的基础上,提出了一种新的拉索风雨激振的理论解释,并针对拉索的风雨激振提出了一种新型的减振装置——限位装置。运用解析法和数值法模拟了拉索的风雨激振现象,所得结果与以往研究者得到的解析结果及试验现象相一致。在此基础上,运用有限元方法模拟了限位装置,研究了其对拉索风雨激振的抑制作用。从能量原理和致振机理两个角度,阐明了限位装置的减振机理。讨论了间隙和限位位置对减振效果的影响。结果表明:斜拉索发生风雨激振时,可以将风雨对拉索的作用简化为上水线绕拉索周向振动时,作用在拉索上的离心力,以此解释风雨激振的机理;限位装置能显著减小拉索风雨激振的振幅;限位装置减振机理明确,能够从根本上抑制风雨激振的发生;减小间隙或将限位位置向拉索中间靠拢,会使减振效果更加明显。     

斜拉索风雨振的动力学行为研究

建立了两个自由度的连续斜拉索风雨振理论模型,比已往的截断模型能更好的体现连续斜拉索风雨振完整的动力学特性.利用伽辽金截断方法将连续偏微分方程转化为常微分方程,借助规范形理论得到了系统的平均方程,证明了系统存在稳定的定常解.运用Mathematica程序对系统进行数值分析,得到了拉索和水线的运动相图.数值模拟结果对理论研究的有效性进行了验证.最后讨论了拉索线性阻尼系数、水线与拉索间的粘附系数、水线单位长度质量等参数对拉索振幅的影响,并提出相应的工程解决方案.     

水线震荡对斜拉桥拉索风雨激振稳定性的作用

从理论和试验两个方面研究了水线震荡对斜拉桥拉索风雨激振稳定性的作用。建立了拉索和水线的运动方程，应用李雅普诺夫函数给出了水线不平衡角的判别公式。设计了一种新型的带有可运动人工水线的拉索模型，并进行了风洞试验。理论和试验结果表明，水线震荡是导致拉索风雨激振具有较大不稳定范围的主要原因。试验结果证明了理论模型和分析的结果是正确的。     

MR阻尼器在风雨激振的斜拉索中的减振应用

在考虑拉索垂度等条件下建立了拉索的风雨激振空间力学模型。在假设水线简谐运动,其频率和拉索一阶频率相等的条件下,得到了拉索在不加阻尼器的情况下距顶端1/2处和3/4处的面内、面外位移响应以及它们的幅频曲线,从而得出拉索主要是以单模态振动,且面内振动是安全的主要威胁。选用一对MR阻尼器对斜拉索进行减振,研究了模态阻尼比和阻尼器安装位置以及电压的关系,得到了拉索振动平稳后的位移响应。结果表明模态阻尼比存在最优电压值,而当阻尼器安装位置较高时,具有较好的减振效果。     

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。     

斜拉索风雨振气动抑振措施的参数优化

本文通过风洞试验,研究了斜拉索空间位置、降雨量、风速等对斜拉索风雨振的影响,选定了振动最大时的参数,研究了作为气动抑振措施的螺旋线直径和缠绕间距两个参数对抑振效果的影响,并研究了附加不同参数螺旋线时斜拉索的气动阻力系数随雷诺数的变化规律,发现针对本研究选定的直径155mm的斜拉索,斜拉索的水平角35°、竖向角25°、较小的降雨强度（10mm/h）、特定的风速范围（无量纲风速60~100）下发生的振动最为激烈;在选定螺旋线间距的情况下,随着螺旋线直径的增大,其抑振效果趋于显著;在选定螺旋线直径的情况下,随着螺旋线间距的减小,其抑振效果趋于显著;附加螺旋线斜拉索的气动阻力系数随螺旋线直径的增大或螺旋线缠绕间距的减小而增大。在超临界雷诺数区域,附加螺旋线时的阻力系数均大于无螺旋线时的阻力系数。提出了优化的螺旋线设计原则。     

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。     

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。     

斜拉桥拉索雨风振机理探讨

斜拉桥拉索在雨和风联合作用的特定条件下,会产生大幅强烈的振动.其振动机理引起了人们极大关注.将风场中带水线的拉索简化为二维含水线影响的拉索绕流问题进行了流场分析.通过计算得到了拉索的气动载荷,根据这些气动载荷,采用水线相对拉索运动和不运动的两种简化模型进行了拉索的振动分析,结果表明雨风振是涡振和驰振耦合作用的结果.     

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。     

基于可变摩擦阻尼力的斜拉索半主动控制算法

通过比较线性粘滞阻尼器和摩擦型阻尼器的耗能,发现斜拉索采用摩擦型阻尼器获得的最大附加阻尼高于相应的线性粘滞阻尼器,进而提出了基于可变摩擦阻尼力的斜拉索半主动控制算法。该算法通过控制阻尼器位置处的拉索位移振幅来实时调节阻尼力,使其始终满足拉索-阻尼器系统的最优阻尼力幅值与最优阻尼器位移幅值的对应关系。按摩擦型阻尼器的方式耗能,系统获得的最大附加阻尼总是高于线性粘滞阻尼器的被动最优控制,且与振动频率无关,可以实现斜拉索的变频率多模态振动控制。最后,分别针对斜拉索的自由振动和简谐强迫振动进行了半主动控制算法的数值模拟,验证了其减振效果。     

斜拉桥主梁纵向漂移对拉索非线性振动影响

为研究斜拉桥主梁纵向漂移对拉索非线性振动的影响,利用Galerkin方法得到了两端激励拉索的离散运动方程,再用Matlab和DSolver分别求解,两者结果完全吻合。绘制了激励-响应关系图,分别研究两种纵向漂移频率(主共振和亚谐波共振)时固结体系、小幅纵向漂移和大幅纵向漂移三种情况下斜拉索非线性振动。结果表明：合理的主梁纵向漂移可有效减小斜拉索振动;斜拉索本质上只存在参数激励和强迫振动两种激励模式,在亚谐波共振时这两种激励模式互不影响。不论斜拉索角度,端部激励大小及方向如何变化,只要各激励在斜拉索轴向分量之和(参数激励)及横向分量之和(强迫振动)不变,则斜拉索响应不变。     

磁流变阻尼器对斜拉索振动控制研究

大跨度斜拉桥拉索的风雨振现象越来越引起人们的重视,应用磁流变阻尼器进行拉索振动控制是一种新的探索。本文采用模态坐标表示的拉索运动方程和Bingham模型,对磁流变阻尼器-拉索系统的阻尼特性进行了全面仿真模拟,得到了阻尼器安装位置、外部激励大小及阻尼器输入电压等参数对系统前三阶模态阻尼比的影响规律,介绍了在洞庭湖大桥应用磁流变阻尼器进行拉索振动控制的试验研究情况,试验与仿真结果具有很好的一致性,表明仿真计算模型和方法是正确的和可行的。对磁流变阻尼器减振效果的仿真计算表明,该阻尼器具有很好的减振性能。在实际风雨振发生时实测的加速度响应进一步印证了仿真结果,表明应用磁流变阻尼器能很好地抑制拉索风雨振现象,磁流变阻尼器将是抑制拉索风雨振一种非常有效的手段。这些对于应用磁流变阻尼器进行拉索振动控制具有重要的指导意义。     

用LES方法对斜拉桥斜拉索风雨振的机理的研究

在特定的风雨条件下,斜拉桥的斜拉索会发生激烈的风雨振现象。这种振动会造成索-梁和索-塔锚固区结构的疲劳损伤等一系列问题,因此,研究并明确斜拉索风雨振的机理,从而找到这种振动的控制方法,已经成为紧迫的研究课题。该文从流场分析入手,利用数值分析的Large-eddy simulation方法,研究了索面存在水线的情况下水线位置不同时流场分布的变化和卡尔曼涡强度的变化,提出水线后侧"小涡"的脱落是影响卡尔曼涡强度的原因。在风速高于卡尔曼涡致振动风速的条件下,当卡尔曼涡受到小涡影响变得足够弱时,索容易发生振动。     

钢和CFRP拉索的振型阻尼特性研究

应用非正交粘性阻尼理论和应变能比例阻尼理论,讨论了斜拉索振型阻尼比分布特征,通过与钢索实测值的对比,验证了粘性阻尼理论的适用性。在此基础上进一步比较了钢和CFRP拉索的振型阻尼比以及粘性减振器的阻尼效果。结果表明,由于初张力产生较大的势能,按应变能比例阻尼理论计算得到的拉索面外振型阻尼比不合理,且面内振型的阻尼比分布规律与实测值也不一致。根据实测结果推断得到的钢索粘性阻尼系数大约为10-4kN·s/m―10-3kN·s/m。拉索的垂度比对振型阻尼比影响显著,而倾角的影响不大。CFRP拉索的振型阻尼比大于钢索,且粘性阻尼器的附加阻尼效果较好。