基于非线性涡激力广义模型的涡振幅值换算

节段模型测振风洞试验是研究涡激共振风速锁定区间和振动幅值的主要手段之一,但节段模型涡振振幅并不能由几何缩尺比直接换算至实桥,需要对测试结果进行修正。已有研究表明,涡激力具有强烈的非线性特性,因此基于线性涡激力模型的换算方法不再适用。此外,由于采用的非线性涡激力模型不准确,基于非线性涡激力模型的已有换算方法也不一定适用,并且目前基于非线性涡激力模型的换算方法也没有给出阻尼比的修正方法。为此,文章借鉴量纲分析方法,推导非线性涡激力广义模型,并给出计算涡振振幅的非线性涡激力简化广义模型,然后根据能量相等的原则推导节段模型与实桥的涡振幅值换算公式。研究表明：当节段模型与实桥结构阻尼比一致时,振幅换算关系仅与桥梁阵型函数值有关;当节段模型与实桥结构阻尼比不一致时,振幅换算关系还与涡振生长或衰变过程位移振幅变化率以及涡振稳定状态无量纲幅值有关;不同换算方法的结果对比表明本文换算结果与实测值最为接近。     

质量比对二自由度圆柱涡激振动影响的计算研究

利用Fluent平台的用户自定义程序(UDF)以及动网格模型,实现圆柱运动方程的一种迭代求解算法,对二自由度弹性支承圆柱体在一定约化速度下的涡激响应进行数值模拟;探讨不同质量比对涡激响应升力的影响。研究表明:采用的迭代求解算法能对弹性支承圆柱涡激振动做出合理预测;质量比对涡激响应的升力影响显著,不仅低质量比圆柱产生的振幅更大,低质量比较高质量比能产生更大的升力系数,且升力相对横向位移的"相位突跳"现象对应的约化来流速度U*更大;圆柱运动轨迹从最初的弧型转变至"8"字型,而后"8"字型逐渐消失并转变为水滴形。     

风雨耦合作用下桥梁主梁涡振节段模型试验

针对风雨耦合作用下桥梁主梁的涡激振动问题,首先从降雨特性及其对结构的作用入手,考虑雨滴冲击和降雨引起的结构表面积水,探讨了对应模型与原型雨强相似比,并依据主梁振动和降雨设备的特点对相似关系作了适当简化,然后以4类典型主梁断面为例,实现了不同雨强和攻角下的节段模型动力特性与涡激振动试验。结果表明:随着雨强增大,结构振动频率有所降低,而阻尼比有所增加,试验雨强为120 mm·h-¹时,频率降低1.5%~3.5%,阻尼比增加了0.05%~0.15%,考虑雨强相似比后实际降雨对频率的影响可忽略,对阻尼比的影响也相当小;涡振的起始和结束风速以及区间数目基本不随雨强的变化而变化,但有雨时的振幅比无雨时小,试验雨强较大时,振幅减小明显,考虑雨强相似比后试验雨强120 mm·h^-1的原型值均超过615 mm·h^-1左右的中国雨强极值,其对涡振响应的影响非常有限。     

桥梁涡激振动响应浅谈

采用有限元法计算桥梁涡激振动的时程响应．应用条带假设和半经验半解析的Scanlan第二涡激作用力模型实现涡激作用力在时间和空间上的离散化：针对Scanlan模型中Vander pol性质的时间频率混合项，引入时频混合格式的A丌方法来计算涡激时程响应．与传统的连续模型和随机振动理论计算桥梁涡激响应方法相比，时程计算可以考虑多振型的组合作用，结构非线性等多种影响，具有较大的灵活性。     

偏转风场下方形截面超高层建筑风致响应与气弹效应研究

超高层建筑具有轻质高柔的特点,强风作用下其气弹效应明显;且水平风向角沿高度偏转,导致超高层建筑的风荷载和风致响应与不考虑风向偏转时有明显不同。为此,完成了风向偏转角为25°的偏转风场及其无偏等效风场下一方形截面千米级超高层建筑的气弹模型试验,基于试验所得的模型顶点加速度时程,结合Hilbert-Huang变换方法和改进的随机减量法识别了气动阻尼比,对比分析了风向角、折减风速和有无风向偏转对气动阻尼比、极值加速度、涡激共振临界风速和锁定区的影响规律,探究了偏转风作用下千米级超高层建筑的风致响应、气弹效应和涡激振动等特性。研究结果表明：风向角对气动阻尼比和极值加速度影响较大,会显著改变其变化规律和涡激共振临界风速;基于频域分析所得的涡激共振临界风速小于由气动阻尼比或极值加速度确定的涡激共振临界风速,表明后者所反映的涡激共振特性具有滞后性,将导致结构不安全;相比无偏等效风作用,偏转风作用下水平向气动阻尼比较大,结构的顶点极值加速度较小,角部极值加速度的最大降幅可达38.3%。     

崇启大桥主桥钢箱梁TMD系统设计参数计算研究

崇启大桥主桥为六跨双幅钢箱连续梁桥,其跨径布置为:102m+4×185m+102m=944m。风洞试验识别出大桥有发生竖向涡激振动的可能,为制止运营期可能发生的涡激振动,对比主动控制和被动控制技术方案,综合比选采用TMD(Tuned Mass Damper,调谐质量阻尼器)制振措施。计算主桥动力特性并进行实桥风洞试验,对试验结果进行频谱分析后确定一阶竖向反对称是涡激振动的主振型,基于该振型特点初步确定TMD布置位置。根据理论和数值计算初步确定了TMD频率、质量、阻尼比、行程等参数,利用谐响应和时程两种方法对TMD减振效果进行设计验证,指出低频TMD设计的主要难点和解决思路;为指导TMD安装施工,进行频率、质量、阻尼比的参数敏感性分析,明确TMD主要设计参数安装容许偏差,提出安装完成后验收指标。崇启大桥是国内首座采用TMD控制涡激振动的特大型桥梁,研究对类似结构的风致涡激振动控制积累了工程经验,对TMD设计、检验评定、制造验收等相关规范的编制具有一定的参考价值。     

斜拉桥拉索参数振动的研究

为探讨桥面激励对斜拉索非线性的影响,研究了斜拉桥中拉索的参数振动,得出了拉索与全桥振动的频率匹配关系,并指出了抑制拉索参数振动的有效措施。结果表明,增大阻尼比并不能有效地抑制拉索的参数振动,但当阻尼比大于某一值时,拉索将不会发生参数振动;激励幅值越大,拉索发生参数振动时瞬态振幅和稳态振幅也越大,当激励幅值小于某一值时,拉索不会发生参数振动;为了抑制拉索的参数振动,可以通过拉索的阻尼比及拉索的激励幅值来综合控制。     

桩土耦合的桥梁管桩涡激振动数值模拟

采用有限元软件对跨海桥梁管桩涡激振动进行了数值模拟,分析了流速,土体刚度对管桩振动幅值的影响,结果表明:流速越大,桩体振动幅值越大,振动越剧烈,在相同流速下,土刚度对管桩振动幅值有着明显抑制作用,是一项不可忽略的参数。     

上海长江大桥车桥系统节段模型涡激共振试验研究

涡激共振通常都在低风速发生,且涡激共振对断面形式的微小变化很敏感,因此有必要研究车辆对车桥系统涡激共振性能的影响。以上海长江大桥为背景,在同济大学土木工程防灾国家重点实验室TJ-1边界层风洞中进行了1∶60缩尺模型试验,开展了桥面无车状态、桥面有车状态下的两种断面形式以及0°、 3°和-3°三种风攻角共6个试验工况节段模型涡激共振试验研究,并将模型试验结果经过振型修正换算到实桥。试验结果表明:桥面有车状态下的竖弯涡振和扭转涡振中分别伴有相同频率的扭转振动和竖弯振动;桥面有车状态的竖弯涡振和扭转涡振幅值明显比桥面无车状态大;桥面有车状态下的涡振锁定风速区间比桥面无车状态下提前。可见车辆明显改变了主梁的气动外形,且无论从振幅还是振动形态方面考虑,车辆对车桥系统的涡激共振影响是不可忽视的。     

数值计算模型对地下厂房动力特性的影响分析

结合某大型水电站地下厂房工程实际,采用三维有限元分析方法,对建立地下厂房结构动力分析数值计算模型涉及的混凝土动态弹性模量、阻尼比、围岩范围和边界条件对厂房结构自振特性和动力响应(动位移和动应力)的影响程度和规律进行了敏感性分析。计算结果表明:厂房整体结构自振频率受动态弹性模量取值、围岩范围和围岩边界条件影响较大,与阻尼比的取值无关;厂房结构动位移与动态弹性模量取值成反比,受围岩范围和边界条件的选择影响有限,受阻尼比取值影响很小;厂房结构动应力受动态弹性模量和阻尼比取值、围岩范围和围岩边界条件的选择影响很小。     

封闭式单向张拉膜结构气弹失稳机理研究

在均匀流场中进行了封闭式单向张拉膜结构气弹模型风洞试验,考察了膜预张力和来流风速对结构振幅、振动模态和总阻尼比的影响,以及膜面位移与膜上方流场的频谱相关性,分析了封闭式膜结构的气弹失稳机理,给出了气弹失稳无量纲临界风速。研究结果表明：低风速下(无量纲风速小于1.2时),流场中的旋涡主频远低于结构基频,结构以受迫振动为主;随着风速增大,流场中出现与结构2阶反对称模态频率接近的旋涡,导致结构发生以2阶模态大幅振动为特征的涡激共振,且在无量纲风速不小于1.2 的风速范围内出现振动锁定现象,结构总阻尼比迅速衰减接近0。由此可认为,封闭式膜结构的气弹失稳由涡激共振引起,结构振幅的突然增大、主导振动模态的突然改变以及总阻尼比的突然减小为其主要特征;气弹失稳无量纲临界风速约为1.2。     

基于移动控制力模型的轨道梁动力特性初步研究

磁浮轨道梁动力特性是磁浮关键技术研究中的重要内容,该方面的研究一直以来备受结构工程界的关注。结合已有研究成果,建立了悬浮模块与轨道梁动力相互作用模型,考虑主动控制的电磁力特性,对一系列悬浮模块在轨道梁上移动引起的动力响应进行数值仿真计算,分析了轨道梁阻尼比、跨数、重量和列车运行速度对轨道梁变形特性的影响规律。分析结果表明:结构阻尼对梁系统动力特性影响较小;基频不变的条件下,简支梁质量变化对梁动力系数的影响很小;随着速度提高,冲击系数总体上呈波动上升趋势,但在正常运行速度下并未出现明显的共振现象。本文的研究结论为轨道梁合理设计参数的选取提供了理论依据。     

MR阻尼器性能试验及对拉索风振控制

对磁流变阻尼器进行试验研究,考查了其常规性能与疲劳性能,得到了阻尼力与电流、速度的关系曲线,给出了阻尼力随电流、速度变化的计算公式。以某斜拉桥拉索的减振控制为背景,模拟了脉动风荷载作用下拉索的动力响应,并对安装磁流变阻尼器后的减振效果进行分析。结果表明:磁流变阻尼器性能稳定,疲劳次数能达到百万次以上;采用磁流变阻尼器能明显减小拉索的振动,提高拉索的使用寿命。     

斜拉桥斜拉索风雨振时索表面水线摆动作用及规律的试验研究

斜拉索表面水线的周向摆动被认为是激发索发生风雨振的重要因素。有水线的索的气动力可以认为是索本身的气动力和水线摆动产生的气动力的组合。在风洞中,通过竖向强制振动试验,测试索的气动力并算得气动导数H1*和H4*。为了模拟水线的摆动,对贴有水线的索施行两端同向强制扭转振动试验,测试振动中的气动力。通过分析水线的摆动对索竖向振动阻尼的贡献,表明水线的摆动既能促使索变得气动不稳定,也可以促使索变得气动稳定,这主要取决于水线摆动与索振动之间的位相差。同时,通过在风洞中模拟人工降雨并对水线进行跟踪观测,发现水线沿索轴向分布及摆动不均一,指出掌握风雨振时水线的各个参数对分析和理解该振动具有重要意义。     

Van der Pol-type equation for modeling vortex-induced oscillations of bridge decks

A careful modeling of vortex-induced vibration of a bridge deck allows to avoid fatigue damages and the reduction of travel safety and/or comfort levels for the users. The existing empirical models do not seem to be fully reliable because they are not able to predict the response oscillation amplitude for values of the mass and damping away from those at which their aeroelastic parameters were estimated. A van der Pol-type equation is used in the Ehsan–Scanlan's model, which for practical reasons seems to be the more suitable model for vortex-induced vibration of bridge decks. In this work this model was deeply studied and wind-tunnel tests on a 4:1 rectangular cylinder were performed to apply it to a realistic case study. Numerical integrations of the van der Pol-type equation highlighted its physical coherence to model vortex-induced vibrations of structures prone to the wind action. Moreover, it was verified that the assumptions standing behind the Ehsan–Scanlan's identification procedure of the aeroelastic parameters are justified. Finally, an alternative identification procedure was proposed, consisting in a numerical estimation of the aeroelastic parameters directly from the nonlinear differential equation.     

电涡流惯质阻尼器对斜拉索振动控制研究

为提升传统被动黏滞阻尼器(VD)对斜拉索的减振效果,提出一种融合旋转式电涡流阻尼技术与滚珠丝杠两节点惯质单元的电涡流惯质阻尼器(ECIMD)斜拉索减振新方法。首先研制阻尼系数和惯性质量均可调的ECIMD样机,基于力学性能测试结果辨识ECIMD力学模型参数;然后开展ECIMD对模型拉索减振试验,获得ECIMD阻尼系数和惯性质量对拉索前3阶附加模态阻尼比的影响规律;接着采用有限差分法建立考虑拉索垂度、抗弯刚度及边界条件影响的斜拉索-ECIMD系统分析模型,对比分析斜拉索附加模态阻尼比的数值预测与相应试验结果;最后开展ECIMD对斜拉索多模态减振参数优化研究。研究结果表明：ECIMD的等效电涡流阻尼系数随激振频率的增大表现出逐渐降低的趋势,该特征对斜拉索多模态振动控制尤为有利;考虑斜拉索垂度、抗弯刚度影响的两端固接斜拉索-ECIMD系统模型可用于保守预测斜拉索附加模态阻尼比;与VD相比,ECIMD对斜拉索单模态和多模态均具有更好的减振效果。     

斜拉索的参数振动

对斜拉桥拉索的参数振动问题建立了非线性力学模型 ,并进行了数值计算分析。指出了拉索参数振动的可能性 ,并对其特征进行了研究。对桥面振动而导致的拉索振动提出了一种新的抑振装置 ,计算结果表明具有较好的减振效果     

用于索承结构中斜拉索开环振动控制的磁流变阻尼器设计

斜拉索被广泛应用于索承结构,如大跨度桥梁或屋盖结构等.由于极低的内在阻尼,斜拉索易发生因其支承的运动或天气状况影响而引起的大幅值的振动.这些振动可以危及斜拉索本身以及整个索承结构的安全与寿命,甚至引起人们对该类结构信心的降低.在斜拉索减振的诸多方法中,采用磁流变阻尼器的智能阻尼技术近来引起了人们的研究兴趣.该阻尼器的阻尼特性可以通过调节(控制)磁场的输入电流/电压而改变,从而实现在不同振动(频率及幅值)情况下的最优或次优减振效果.本文发展了一个数学模型用于评价在开环控制状态下斜拉索-阻尼器系统的阻尼比.该模型考虑了阻尼器的安装高度、阻尼系数、刚度、质量、支撑刚度、磁变阻尼力以及斜拉索的垂度与倾角等因素,推导出了一个‘广义的通用公式’用于阻尼器参数的设计与优化,即寻求可提供系统最大阻尼比的最佳阻尼器参数.本文以目前世界最长斜拉桥——苏通大桥的最长斜拉索为例,确定了能够提供足够的阻尼以抑制风雨振的阻尼器安装高度以及相应的阻尼器参数.