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。     

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.     

桥梁断面两自由度风致振动数值模拟

采用弱流固耦合技术,对薄平板和桥梁断面进行了两自由度风致振动数值模拟,得到了断面颤振临界风速、振动频率和阻尼比随风速变化情况,薄平板的数值模拟结果与理论解十分吻合,验证了数值模拟的精度。     

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。     

桥梁节段模型颤振导数识别的MITD时域优化

基于R.H.Scanlan提出的自由振动法求解桥梁颤振导数实验量很大,且在提取交叉导数的过程中,一方面要求模型的竖向运动和扭转运动在所有的风速下都具有相同的频率比和阻尼比是很难达到的,另一方面非耦合导数的识别误差将带到耦合导数中。基于Modified Ibrahim Time-domain Method(MITD)时域的改进方法,应用变尺度优化算法进行提取桥梁断面的全部颤振导数。研究结果表明,应用此方法具有解决非线性参数辨识问题的可行性。     

大跨度桥梁中央开槽颤振控制效果和机理研究

采用理论分析结合风洞试验的方法,对中央开槽这种已经在大跨度桥梁设计和建设中逐步得到应用的颤振控制措施的控制效果和控制机理进行研究。选取5种不同气动外形的基本断面,采取2种开槽宽度分别对其进行中央开槽处理。对全部5个系列15种断面开展节段模型风洞试验,并应用二维三自由度耦合颤振分析方法,对各断面开槽前后颤振性能、颤振驱动机理和颤振形态的变化规律进行分析。研究结果表明,中央开槽并不总是能提高结构的颤振稳定性能,其控制效果同基本断面的气动外形以及开槽宽度密切相关,当槽宽不恰当时中央开槽的控制效果会严重削弱,而对气动外形比较钝化的断面采用中央开槽后其颤振性能反而会恶化。对控制机理的理论分析表明,这种控制效果差异的原因在于各断面气动阻尼的形成和随风速发展规律存在明显差别,而颤振形态特别是竖向自由度的参与程度也影响到中央开槽的颤振控制效果。     

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。     

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。     

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。     

斜拉桥拉索风雨激振的两质量三自由度理论模型

斜拉索的风雨激振严重地影响到斜拉索以至于斜拉桥的安全,其机理至今仍无定论。同时考虑拉索面内和面外两个自由度,并假设拉索和水线之间的作用力为库仑阻尼力和线性阻尼力,建立斜拉桥拉索风雨激振的两质量三自由度理论模型。采用Runge-Kutta法对拉索和水线的耦合方程进行数值求解,得到拉索和水线的运动规律。与仅考虑拉索面内自由度的两质量两自由度理论模型相比,考虑拉索面内面外自由度的两质量三自由度理论模型的起振风速区更多,这主要是因为拉索的水平气动力系数也存在突降,且拉索面内面外运动是相互耦合的。水线上的气动力和重力为水线提供总体的平衡;阻尼力则消耗水线的能量;至少一个方向的拉索运动引起的附加惯性力(竖向或水平)一直对水线做正功。     

覆冰导线三自由度耦合舞动稳定性判定及气动阻尼研究

利用风洞内支架式三自由度频率可调的弹簧悬挂装置对D形覆冰六分裂导线节段气弹模型进行舞动试验,在不同气动力特性的风攻角下调整竖/扭自振频率比及风速,激发并记录纯竖向、纯扭转、竖扭耦合和扭转水平耦合等失稳舞动。分别基于实测响应和三自由度舞动响应非线性数值模拟结果识别导线的竖向和扭转气动阻尼并与Den Hartog或Nigol舞动理论计算值进行对比,研究导线气动阻尼与气动特性、自振特性及风速之间的关系。试验结果发现：由于Den Hartog或Nigol系数正负不同以及竖/扭频率比不同,导线气动负阻尼绝对值会随风速提高以指数形式增大或者是随风速提高先增大后减小至小于结构阻尼;用单自由度舞动理论来预测三自由度舞动存在较大缺陷且偏于不安全。基于特征值摄动法提出覆冰分裂导线竖向-水平-扭转三自由度耦合的舞动稳定性判断条件式,解释了无法用Den Hartog或Nigol单自由度稳定性判断条件式说明的舞动现象,并得到试验结果的验证。     

桥板颤振导数的比较和敏感性分析 第一部分：试验数据分析

为评估风载下桥板的性能,通常采用多年来发展的两个独特的方法（自由和强迫振动）,从风洞模型试验中得到桥板气动弹性系数。尽管已有众多的研究者对每个技术优缺点进行分析,但文献中缺少对试验结果的系统比较。本研究的意义在于进行与长期颤振导数试验数据相关的评估,包括分析和解释自由和强迫振动两种方法的异同点。从2002年开始,美国的爱荷华州大学和日本的公立研究所着手进行桥颤振导数的研究。试验包括的截面类型很广,从矩形棱柱到改进型,尤其考虑了当前在大跨桥中采用空气动力学设计梁的趋势。同时系统地分析和比较了两种方法颤振导数的试验结果。在相关的论文中,对敏感性进行分析以研究大跨桥在气动弹性不稳定时颤振导数数据中所隐含的不同点。     

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     

高阻尼人-结构系统的共振频率研究

基于人体两自由度模型,提出了人-结构相互作用系统的三自由度质量-弹簧-阻尼模型。通过理论推导,得到结构响应的加速度频响函数和体系振动频率与结构频率比值的解析式;并采用Griffin两自由度人体模型的参数,模拟已有的试验成果,反映人-结构系统的动力特性。最后,通过对高阻尼人-结构三自由度模型进行数值分析,探讨了人与结构间的质量比、频率比、阻尼比对人-结构体系共振频率的影响规律。     

桥梁气动导纳识别的阶跃函数拟合法

基于桥梁主梁断面气动导数、阶跃函数与气动导纳之间的关系,提出一种获取气动导纳的阶跃函数拟合法。首先根据紊流风场中的抖振响应,识别桥梁结构气动导数和等效气动导纳,然后由气动导数可拟合得到阶跃函数,并根据阶跃函数系数计算得到竖向脉动风对应的气动导纳,最后结合等效气动导纳计算水平向脉动风对应的气动导纳。阶跃函数拟合法直接根据抖振响应完成了桥梁断面完整气动导纳的识别,实例研究表明,该方法对于桥梁断面气动导纳识别而言是可行的。     

桥梁断面颤振导数识别的随机搜索方法

建立了识别颤振导数的普适性更强的分析模型,该模型可适用于竖弯与扭转信号长度不同的情形;阐明总体最小二乘法加权理论,推导了对数衰减简谐函数平均值和标准差计算公式;提出随机搜索方法用于搜索信号特征的最佳拟合值;仿真算例表明,随机搜索方法是有效可行的,并且计算精度令人满意。融合随机方法,分别采用竖弯、扭转分项和总体最小二乘法对苏通大桥主梁断面颤振导数进行识别;识别结果表明,相对分项最小二乘而言,总体最小二乘并不能显著提高颤振导数的识别精度。     

紊流风场中桥梁气动导数识别的随机方法

气动导数是大跨桥梁结构颤振和抖振分析的重要依据。本文提出采用随机系统识别方法来识别紊流风场中的气动导数, 与当前应用较广的瞬态激励法及强迫激励法相比, 这类方法的优势在于: (1) 将紊流看作是激励, 而不是噪声, 更能反映结构实际工作状态下的特性; (2) 识别精度不受风速的制约, 可以获得较高折减风速下的气动导数; (3) 可直接在紊流风场中结构随机响应上进行识别, 无需任何人为外在激励, 试验更为简单易行。在风洞中完成了紊流风场中桥梁节段模型测振试验, 进一步利用本文的方法识别出气动导数。与相关文献提供的类似模型在均匀场和紊流场中识别结果的对比表明: 本文识别的气动导数是可靠的, 所提出的采用随机系统识别方法来识别紊流风场中气动导数的思路是可行的。