桥梁结构复气动导纳函数与抖振精细化研究

论文摘要

论文首先回顾了气动导纳研究现状以及目前存在的问题,明确了气动导纳是桥梁抖振分析中至关重要的气动参数,它的研究是今后桥梁抖振精细化分析中一个重要的研究方向。本文利用风洞试验、数值模拟和理论分析相结合的方法,对薄平板和三种典型桥梁断面的气动导纳进行了详细和深入的研究。利用实测的气动导纳函数对桥梁结构抖振响应进行了精细化分析,分别提出了考虑气动导纳修正和抖振力空间相关性影响的频域分析方法和时域分析方法。本文还对结构进行了全桥气弹模型风洞试验研究,验证本文提出的抖振分析理论的正确性。最后总结起来本文主要进行了以下几个方面的工作:(1)论文通过对气动导纳研究(包括气动导纳的来源、理论研究、试验研究、测量技术、经验公式)结果的回顾和总结,发现目前气动导纳研究的不足,明确论文研究内容;(2)对薄机翼基本理论进行了较深入研究,更深刻地理解了气动导纳的物理意义,为以后其它桥梁断面气动导纳的研究以及复气动导纳的提出奠定了理论基础。推导了薄机翼断面的静力三分力系数,给出了风攻角下理想平板的静力三分力系数,为接下来的薄平板模型静力三分力系数的试验、数值模拟研究提供理论参考;(3)提出了一种主动格栅技术,可以在风洞中同时产生单一频率的顺风向和竖风向的两个脉动分量。基于该技术推导提出了分离频率识别法下6个复气动导纳的定义式,并通过模拟数值信号检验了它的数值正确性;(4)根据提出的主动格栅技术开发了一套主动格栅装置,该装置可以产生顺风向和竖风向单一频率的谐波脉动风场,其紊流积分尺度可以达到几十米,克服了一直以来无法提高紊流积分尺度的困扰。开发了一套双天平水平测力装置,可以直接测定水平放置模型的抖振力。利用开发的主动格栅装置和双天平水平测力装置,实现6个复气动导纳的同时识别。对薄平板和三种典型桥梁断面的气动导纳进行了测量,并对测量结果进行了分析和讨论,得出重要的结论和结果;(5)基于分离频率识别方法,实现了气动导纳的CFD数值模拟研究。利用CFD数值模拟技术,对薄平板气动导纳进行研究,并与试验结果进行比较分析,得出一些有意义的结论;(6)提出了一种考虑抖振力空间相关性和气动导纳修正的适合于双肢薄壁高墩悬臂结构的抖振频域响应分析方法。以小关桥为例,给出了该桥施工阶段墩底内力的计算公式,分析了各脉动风荷载以及各部位上脉动风荷载对结构抖振响应的贡献,并且分析了抖振力空间相关性和气动导纳函数对结构抖振响应的影响;(7)提出了一种新的模拟随机风场的小波方法,该方法可以模拟脉动风的间歇性和局部相似性。目前只实现了一维单变量风场的模拟,有待进一步的拓展;(8)提出了一种基于抖振力空间相关性考虑气动导纳影响的抖振时域分析方法。运用该方法对双肢薄壁高墩悬臂结构进行了抖振分析,并将分析结果与频域分析结果进行比较,相互验证了两种方法的正确性;(9)开展了双肢薄壁高墩悬臂结构全桥气弹模型风洞试验研究,通过试验和频域、时域计算的结果比较,验证两种抖振分析理论的正确性;(10)利用第七章提出的抖振时域方法对东海大桥进行了抖振响应分析,将计算分析结果与相关参考文献结果进行比较,比较结果显示本文时域方法的计算结果与参考文献结果基本一致,验证了本文时域方法的正确性和适用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 桥梁结构的风致振动
• 1.2 气动导纳的研究现状
• 1.2.1 机翼断面的理论气动导纳
• 1.2.2 桥梁断面气动导纳
• 1.2.3 气动导纳试验研究
• 1.2.4 气动导纳测量技术
• 1.3 桥梁抖振分析的研究现状
• 1.4 抖振响应精细化研究
• 1.5 CFD 数值模拟技术研究
• 1.6 论文主要内容
• 第2章 薄机翼气动力理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 非均匀流翼型理论基础
• 2.2.1 涡、环量
• 2.2.2 无旋流的速度位
• 2.2.3 二维不可压无旋流场的流函数和复位函数
• 2.2.4 密压流的加速度位
• 2.3 不可压流中摆动的二维薄机翼受力研究
• 2.3.1 薄机翼理论的定义
• 2.3.2 薄机翼理论的基本方程
• 2.3.3 保角变换
• 2.4 薄机翼作纯竖向、纯扭转运动问题
• 2.4.1 纯竖向运动
• 2.4.2 纯扭转运动
• 2.4.3 与Theodorsen’s 理论推导的气动力的比较
• 2.4.4 翼型作一般形式的简谐运动
• 2.4.5 翼型在正弦脉动风场的运动
• 2.5 均匀流中的二维薄机翼受力研究
• 2.6 均匀流中的理想平板三分力系数
• 2.7 本章小结
• 第3章 复气动导纳识别理论研究
• 3.1 引言
• 3.2 正余弦函数的性质
• 3.2.1 正余弦函数的傅立叶变换
• 3.2.2 正余弦函数的相关性
• 3.3 复气动导纳的定义式
• 3.4 数值检验
• 3.4.1 脉动风及抖振力的数值模拟
• 3.4.2 气动导纳的计算与比较
• 3.5 试验方案
• 3.6 本章小结
• 第4章 复气动导纳识别的试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 大气紊流特性
• 4.2.1 紊流度
• 4.2.2 紊流积分尺度
• 4.2.3 风速谱
• 4.3 主动格栅的建立和测试
• 4.3.1 主动格栅的建立
• 4.3.2 主动格栅的测试
• 4.4 双天平水平测力系统研究
• 4.5 实现脉动风速与抖振力的同步测量
• 4.6 薄平板气动导纳测量
• 4.6.1 试验原理
• 4.6.2 试验模型
• 4.6.3 静力三分力系数
• 4.6.4 试验工况
• 4.6.5 气动导纳测量结果与讨论
• 4.6.6 试验曲线拟合
• 4.7 典型桥梁断面气动导纳测量
• 4.7.1 试验模型
• 4.7.2 静力三分力系数测量
• 4.7.3 气动导纳测量结果
• 4.7.4 分析与讨论
• 4.7.5 气动导纳曲线拟合
• 4.8 本章小结
• 第5章 气动导纳识别的数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 薄平板气动导纳数值模拟
• 5.2.1 引言
• 5.2.2 数值计算模型概述
• 5.2.3 静力三分力系数
• 5.2.4 气动导纳模拟结果及讨论
• 5.3 本章小结
• 第6章 双肢薄壁高墩悬臂结构的抖振响应频域分析
• 6.1 引言
• 6.2 基本计算公式
• 6.2.1 双肢薄壁高墩悬臂结构几何模型
• 6.2.2 风场特性
• 6.2.3 风荷载
• 6.2.4 结构响应
• 6.3 计算分析
• 6.3.1 计算参数
• 6.3.2 计算结果与分析
• 6.3.3 气动导纳函数对抖振响应的影响
• 6.3.4 空间相关性对抖振响应的影响
• 6.4 本章小结
• 第7章 双肢薄壁高墩悬臂结构的抖振响应时域分析
• 7.1 引言
• 7.2 脉动风场的模拟
• 7.2.1 谐波合成法
• 7.2.2 AR（p）线性滤波法
• 7.2.3 基于小波逆变换方法
• 7.2.4 几种方法的比较
• 7.3 抖振时域分析气动力模型
• 7.3.1 自激力模型
• 7.3.2 抖振力模型
• 7.4 计算分析
• 7.4.1 基本参数
• 7.4.2 脉动风模拟
• 7.4.3 计算结果与分析
• 7.5 本章小结
• 第8章 双肢薄壁高墩悬臂结构的抖振响应试验研究
• 8.1 引言
• 8.2 双肢薄壁高墩悬臂结构气弹模型风洞试验
• 8.2.1 气弹模型的设计制作
• 8.2.2 风洞风场的参数测量
• 8.2.3 静力三分力系数测量
• 8.2.4 抖振响应测量
• 8.3 试验结果分析以及与理论分析结果的对比
• 8.3.1 墩底内力的对比分析
• 8.3.2 自激力对抖振响应的影响
• 8.3.3 气动导纳函数对抖振响应的影响
• 8.3.4 空间相关性对抖振响应的影响
• 8.4 本章小结
• 第9章 大跨度桥梁抖振时域分析
• 9.1 引言
• 9.2 东海大桥概况
• 9.3 东海大桥抖振时域分析
• 9.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读博士学位期间发表的论文
• 附录 B 攻读博士学位期间从事的科研项目
• 附录 C 抖振力分量功率谱密度函数
• 附录 D 影响函数