柔性桥梁涡振幅值与软驰振曲线预测方法研究

论文摘要

已有多座大跨度桥梁的主梁发生了高阶竖向模态的涡激共振病害，高阶模态的加速度响应随着模态阶次的升高按振动频率的平方增大，这给服役期的大跨度桥梁带来了巨大的安全隐患。大跨度钢桁架拱桥的大长细比矩形截面杆件也经常遭受风致振动病害，涡振与驰振这两种不同类型的振动在这类杆件中容易耦合形成一种软驰振响应，幅值响应曲线表现出随着风速的增加而不断增大直至结构破坏的趋势，这是大跨度钢桁架拱桥设计中需要解决的重大问题之一。本文针对上述大跨度桥梁的柔性主梁和大长细比矩形截面桥梁杆件的风致振动背景，开展了相关的幅值估算工作，主要进行了以下方面的研究：(1)采用一根大长细比矩形截面钢管作为原型杆件开展风洞试验，实测杆件在不同迎风状态下的基频模态涡振和软驰振响应；按照1:1的原则分别设计节段模型并开展风洞试验，将原型杆件和1:1节段模型的涡振与软驰振响应进行对比，研究3D效应对杆件基频模态最大涡振幅值与软驰振响应的影响。对比试验结果显示原型杆件和1:1节段模型实测的涡振幅值比值为1.20；而大振幅阶段软驰振响应幅值却基本维持相同。(2)基于一个多点弹性支撑气弹模型开展风洞试验，实测模型的高阶模态涡振响应，对比分析各阶模态的动力参数以及最大涡振幅值响应；基于多点弹性支撑模型5、6、7阶模态参数按照1:1的原则分别设计节段模型并开展相应的风洞试验，将气弹模型与1:1节段模型的涡振响应进行对比，研究3D效应对高阶模态最大涡振幅值响应的影响。对比试验结果显示多点弹性支撑模型5、6、7阶模态的最大涡振响应幅值与相应的1:1节段模型涡振幅值的比值系数在1.25~1.32之间。(3)针对多点弹性支撑气弹模型的高阶模态响应，采用强迫振动的方式开展了气动力展向相关性识别风洞试验，研究了振幅、振型以及涡振锁定区间不同区段对多点弹性支撑气弹模型高阶模态单个振型波内气动升力展向相关性的影响。试验结果表明升力展向相关性系数随着振幅的增大而增大，相同振幅下升力展向相关性系数伴随着模态阶次的升高而增大，涡振锁定区间内上升段、幅值点、下降段的升力展向相关性依次减弱。(4)开展了针对节段模型风洞试验中实测的软驰振响应和同一组节段模型参数下出现两个分离的竖向自由度涡振锁定区间现象的CFD数值模拟，数值计算得到了与风洞试验实测一致的风振响应曲线。CFD后处理识别了上述两种不同类型振动的尾流涡形态，研究了气动力的时程和频谱特性，讨论了气动力、结构位移响应、气动力与结构位移响应之间的相位差以及尾流涡迹的对应关系。(5)以2D Tamura尾流振子涡激力模型为基础，考虑3D振型和展向相关性的影响提出了修正的3D数学模型，并基于本文中多点弹性支撑气弹模型风洞试验中实测的高阶涡振数据对该模型的计算准确度进行了验证，并讨论了将该模型应用于大跨度桥梁主梁高阶涡振幅值估算的可行性。(6)针对大长细比矩形截面杆件涡振与驰振处于耦合状态的软驰振现象，开展了基于耦合数学模型的数值计算，确定了影响软驰振幅值响应的关键参数即为矩形截面宽高比。基于大量实测的软驰振响应数据开展针对软驰振响应无量纲幅值随无量纲风速增长的线性斜率值Slope与矩形截面宽高比的数学拟合，提出了一个用于估算矩形截面构件在任意无量纲风速下软驰振响应幅值的经验公式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 大跨度桥梁的涡激振动
• 1.1.1 大跨度桥梁的发展简介
• 1.1.2 大跨度桥梁的涡激共振病害
• 1.2 涡激力数学模型
• 1.2.1 单自由度模型
• 1.2.2 两自由度模型
• 1.3 涡激振动的主要研究方法及现状
• 1.3.1 试验研究
• 1.3.2 数值模拟
• 1.3.3 现场实测
• 1.4 桥梁涡振的控制方法
• 1.4.1 气动措施
• 1.4.2 机械措施
• 1.4.3 结构措施
• 1.5 本文的主要研究内容及意义
• 第2章 涡振幅值估算的理论基础与应用
• 2.1 引言
• 2.2 涡振幅值的估算方法
• 2.2.1 估算方法一:Ruscheweyh 模型
• 2.2.2 估算方法二:Griffin Plot
• 2.2.3 估算方法三:Tamura 模型
• 2.2.4 估算方法四:Vickery & Basu 模型
• 2.2.5 估算方法五:Scanlan 模型
• 2.3 匀质圆截面构件涡振幅值估算
• 2.3.1 实测值
• 2.3.2 估算值
• 2.3.3 对比情况
• 2.4 柔性桥梁涡振幅值估算
• 2.4.1 振型和展向相关性影响
• 2.4.3 质量阻尼参数
• 2.4.4 振动频率/Reynolds 的影响
• 2.4.5 现行涡振限值规范的局限性
• 2.5 本章小结
• 第3章 桥梁构件涡振幅值的振型修正效应
• 3.1 引言
• 3.2 节段模型与实桥的涡振幅值换算
• 3.2.1 振型的影响
• 3.2.2 气动力展向相关性的影响
• 3.2.3 Reynolds 数的影响
• 3.3 大长细比桥梁杆件的基频振动
• 3.3.1 试验模型
• 3.3.2 试验工况与参数识别
• 3.3.3 风洞试验结果与分析
• 3.4 多点弹性支撑模型的高阶涡振
• 3.4.1 试验模型
• 3.4.2 动力特性测试
• 3.4.3 风洞试验结果与分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 柔性桥梁高阶响应的展向相关性
• 4.1 引言
• 4.2 多点弹性支撑测压模型
• 4.2.1 测压断面布置
• 4.2.2 测压仪器
• 4.2.3 频响修正
• 4.3 试验参数与工况规划
• 4.3.1 动力参数
• 4.3.2 试验工况
• 4.4 模型在强迫激励下的响应
• 4.4.1 强迫振动装置
• 4.4.2 强迫激励下的高阶模态响应
• 4.5 展向相关性试验结果分析
• 4.5.1 表面压力展向相关性
• 4.5.2 振幅和涡振锁定区间对展向相关性的影响
• 4.5.3 振型对展向相关性的影响
• 4.5.4 升力系数展向相关长度计算
• 4.6 本章小结
• 第5章 典型断面气动性能的数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 数值计算简介
• 5.2.1 计算方法
• 5.2.2 计算区域布置
• 5.3 软驰振的数值模拟
• 5.3.1 模型参数及试验结果
• 5.3.2 计算网格及静力系数
• 5.3.3 幅值响应
• 5.3.4 气动力及尾流涡形态识别
• 5.4 两个涡振锁定区间的数值模拟
• 5.4.1 计算模型
• 5.4.2 计算网格及静力系数
• 5.4.3 幅值响应
• 5.4.4 第一个锁定区间的气动性能
• 5.4.5 第二个锁定区间的气动性能
• 5.5 本章小结
• 第6章 考虑 3D 修正的高阶涡振幅值估算
• 6.1 引言
• 6.2 尾流振子模型的理论基础
• 6.2.1 2D 尾流振子模型的理论基础
• 6.2.2 考虑 3D 效应修正的 Tamura 模型
• 6.3 2D 圆柱涡振幅值估算
• 6.3.1 试验数据
• 6.3.2 柱体幅值响应
• 6.3.3 尾流振子响应
• 6.4 多点弹性支撑模型高阶涡振幅值估算
• 6.4.1 参数识别
• 6.4.2 2D 模型的应用
• 6.4.3 3D 模型的应用
• 6.5 本章小节
• 第7章 柔性桥梁杆件软驰振响应幅值估算
• 7.1 引言
• 7.2 涡振与驰振耦合的理论模型
• 7.2.1 准定常驰振力
• 7.2.2 Parkinson & Corless 模型
• 7.2.3 Tamura & Shimada 模型
• 7.3 幅值估算的关键参数识别
• 7.3.1 风洞试验
• 7.3.2 数值计算
• 7.3.3 关键参数确定
• 7.4 幅值估算经验公式
• 7.4.1 实测数据
• 7.4.2 关键参数的数学拟合
• 7.4.3 幅值估算经验公式
• 7.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间的学术成果