基于微分法的大跨度桥梁三维颤振敏感性分析

桥梁颤振敏感性表征设计参数对颤振临界风速的影响,是探究桥梁颤振机理与提升颤振性能的重要工具。为帮助设计人员在设计阶段高效精准地获取结构动力特性及颤振导数对大跨度桥梁颤振性能的影响规律,提出一种基于直接微分法的桥梁三维颤振敏感性分析方法。该方法基于系统矩阵的左右特征向量正交特性,构建在设计参数小幅摄动时桥梁多模态耦合颤振规格化条件,结合颤振临界条件得到系统特征值及颤振临界风速对设计参数的敏感性。为检验该方法,以理想薄平板断面简支梁桥为算例,与有限差分方法进行比较,表明该方法具有较高的精度和计算效率。将该方法用于一座大跨度悬索桥的颤振敏感性分析,结果表明：对于采用闭口流线型主梁断面的大跨度桥梁,一阶对称竖弯和一阶对称扭转模态对桥梁颤振影响最大;增大桥梁结构的阻尼比、模态质量及基础扭弯频率比,均会提升桥梁颤振临界风速;颤振导数中,A~*₂影响最显著,A~*₃、A~*₁和H~*₃的影响次之,其它颤振导数的影响则基本可以忽略。     

苏通大桥三维颤振分析

基于结构有限元模型,给出了大跨度缆索承重桥梁三维颤振分析方法。该方法能够考虑静风作用、主梁附加攻角、拉索自激力和振型参与影响,同时迭代搜索侧弯、竖弯和扭转三种振动频率。采用该方法对苏通大桥进行了三维颤振分析,该方法的可靠性和实用性得到证实。结果表明:对于苏通大桥而言,不考虑静风作用和主梁附加攻角影响会高估颤振临界风速;不考虑拉索自激力作用和拉索振型参与,相当于忽略了系统气动正阻尼,会低估颤振临界风速;颤振临界风速颤振分析计算结果与风洞试验结果之间存在差异。     

大跨度桥梁非线性颤振理论与试验研究

目前,在线性颤振设防标准下,大跨桥梁的设计与建设成本巨幅增加,严重阻碍了大跨度桥梁的进一步发展,亟需研究大跨度桥梁的非线性颤振特性并构建相关非线性颤振分析理论,为后颤振设防标准的构建提供理论依据。该研究发展了基于自由振动风洞试验识别幅变颤振导数的方法,建立了多/全模态耦合三维非线性颤振频域快速分析方法和能够考虑气动与结构双重非线性效应的三维时域分析方法,拓展了桥梁断面节段模型大振幅非线性颤振研究的风洞试验技术。基于发展的非线性颤振分析方法,以国内某四主缆双层桁架主梁断面悬索桥为背景,研究了该桥主梁断面的非线性颤振特性,量化了竖向自由度对该断面非线性颤振的影响,探究了多模态耦合效应对该桥非线性颤振的影响规律,发现了几何非线性效应诱发的超谐共振行为,并据此揭示了几何非线性效应对该桥非线性颤振的影响机制。该文方便读者对非线性颤振理论与分析方法有比较全面的了解,研究可为今后建立大跨桥梁的韧性抗风设计标准提供理论支撑和技术保障。     

桥梁颤振导数的耦合强迫振动仿真识别

提出了一种新的桥梁颤振导数识别方法——耦合强迫振动识别法，并采用CFD仿真桥梁节段模型的耦合强迫振动，通过数值计算节段模型上的颤振自激力，识别出节段模型的颤振导数。以丹麦的大带东桥为例，用仿真耦合强迫振动法识别了该桥梁节段模型的8个颤振导数，并计算了颤振临界风速，其计算结果与风洞试验结果一致，证明了所提出的耦合强迫振动识别法及数值仿真识别方法是可行的。     

桥梁断面颤振导数识别的耦合自由振动方法

通过对系统复模态的特征分析发现,只要给定一个折减风速,就可以唯一地确定出系统的振动模态参数;反之,如果已知某一折减风速(或折减频率)时系统的振动模态参数,将可以确定出对应于该折减风速的桥梁断面各颤振导数。基于该思想,建立了从系统振动模态参数确定桥梁断面颤振导数的方法,该方法理论严密,并根本上克服了现有耦合自由振动颤振导数识别方法存在的缺陷。通过数值算例对该桥梁断面颤振导数识别方法的可靠性和适用性进行了有效的验证,且该识别方法能够对桥面颤振发散后的颤振导数进行识别。     

桥梁颤振数字仿真分析

本文用自动控制原理，将桥梁颤振系统分解成一个由若干线性滞后环节组成的控制系统。来对桥梁颤振系统进行数字仿真分析，采用尤格－库塔法求解系统的响应，从而能得到其它方法不能得到的系统任一环节的响应，便于主动控制技术在桥梁颤振抑制中应用，算例表明，此方法是可行，正确和方便的。     

扭弯频率比对π型断面节段模型后颤振特性的影响

以某π型断面桥梁为对象，通过弹性悬挂节段模型风洞试验，识别了机械阻尼随振幅的非线性演变特性。在此基础上，研究了扭弯频率比为0.872，0.971，0.988，1.035，1.085，1.245 六种情况下的颤振临界风速及非线性后颤振振动特性。试验结果表明模型在来流风速超过临界风速后出现极限环振动，且极限环振动的幅值随风速增加而增 大。扭弯频率比对模型气弹响应的多方面特性均有实质性的影响，包括颤振临界风速、后颤振极限环振动幅值、后颤振幅值随风速的演变路径、竖向与扭转的耦合程度以及颤振的“软硬”性质等等。研究结果表明，颤振发生时，竖向与扭转自由度以同频率但非零相位差的形式进行耦合，且相位差随风速与扭弯频率比的变化显著。受气动刚度影响，模型扭转振动频率随风速的增加单调下降，但即使对于初始扭弯频率比小于1 的情况，颤振时仍然以竖向与扭转自由度耦合的形式发生，这一点与流线型断面的经典耦合颤振有明显的不同。该研究也反映了现行的公路桥梁抗风设计规范在体现扭弯频率比影响方面的不足。     

平板断面扭弯耦合颤振机理研究

基于二维三自由度耦合颤振分析方法,对平板断面经典扭弯耦合颤振的颤振驱动机理和颤振形态进行了深入研究。研究结果表明经典扭弯耦合颤振仍然是由气动负阻尼驱动的,“气动刚度驱动”的机理解释是不正确的,而气动负阻尼主要来源于系统扭转和竖向自由度运动之间的耦合效应。颤振形态矢量的分析结果显示经典扭弯耦合颤振发生时竖向自由度参与程度较高,表明扭转和竖向自由度的耦合效应相当强烈。对颤振形态同结构扭弯频率比以及颤振形态同结构颤振性能的关系进行了分析,虽然颤振形态同结构扭弯频率比之间存在简单、唯一的对应关系,但颤振形态同结构颤振性能的关系则比较复杂。最后对发生于平板断面的竖弯形态颤振的机理进行了探讨。     

交叉吊索用于改善悬索桥架设阶段的颤振稳定性

以某悬索桥设计方案为工程背景 ,应用多模态颤振分析方法 ,分析了该桥架设阶段颤振临界风速的发展趋势。以其中最危险的架设阶段为例 ,研究了在主缆与主梁之间设置交叉索这种结构措施提高系统颤振稳定性的效果。分析结果表明 ,交叉吊索可以显著地改善方案桥主梁架设阶段的颤振稳定性     

考虑多模态气动耦合效应桥梁颤振TMD控制参数分析

基于多模态耦合颤振理论,导出带有被动调质阻尼器(TMD)桥梁多模态耦合颤振系统运动方程。通过PK-F法求解系统颤振运动方程,并编制了多模态耦合颤振TMD控制和参数分析程序。以崖门斜拉桥为例,分析了TMD对桥梁颤振控制的有效性和气动导数、结构参数、TMD参数等对颤振控制效果的影响,并讨论了TMD对桥梁颤振控制的机理。