基于强迫振动测力的斜拉索风雨激振机理研究

论文摘要

随着斜拉桥跨径的不断增大,斜拉索长度越来越长。斜拉索柔度大、质量小、结构阻尼低,极易在风荷载和主梁激励的作用下发生振动。风雨激振是在风和雨的共同作用下斜拉索发生的一种大幅、低频的振动,严重地危害到斜拉桥的安全性。由于问题的复杂性,其机理未有定论。在已有的风雨激振机理研究中,均采用准定常理论来确定拉索和水线上的气动力。本文通过风洞试验和理论分析手段,研究准定常理论在风雨激振研究中的适用性,全文共分为六章。第一章为绪论。第二章采用湖南大学风工程试验研究中心研发的三自由度强迫振动装置,进行了光拉索和粘贴水线拉索的刚性模型测压风洞试验。试验共包括六个工况:固定光拉索、竖向振动光拉索、粘贴水线的固定拉索、粘贴水线的竖向振动拉索、粘贴水线的扭转振动拉索、粘贴水线的竖向和扭转振动拉索。第三章对风洞试验数据进行了详细的分析,得到了拉索和水线模型各测点的平均和脉动风压系数、功率谱密度函数、拉索和水线的三分力系数等。研究了Reynold数、竖向和扭转振动、水线位置角等对粘贴水线拉索的平均和脉动风压系数、三分力系数和旋涡脱落频率等的影响;比较了试验结果和准定常理论结果,结果表明:准定常理论得到的气动力反映了风雨激振气动力的主要特性。第四章在风洞试验数据的基础上,对拉索的和水线的气动导数进行识别,得到了三个工况下拉索和水线的气动导数,并比较了通过气动导数得到的拉索脉动气动力和风洞试验测得的气动力。结果表明:通过气动导数得到的气动力的精度高于准定常理论得到的值。第五章采用风洞试验的拉索和水线的三分力系数、建立了二维斜拉索风雨激振的两自由度刚性模型,对风雨激振的机理进行了详细的研究。第六章为结论和展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 斜拉索风雨激振的工程背景
• 1.2 斜拉索风雨激振的研究手段及现状
• 1.2.1 斜拉索风雨激振现场实测的研究现状
• 1.2.2 斜拉索风雨激振风洞试验研究现状
• 1.2.3 斜拉索风雨激振理论分析研究现状
• 1.3 斜拉索风雨激振的控制措施
• 1.3.1 机械控制措施
• 1.3.2 结构措施
• 1.3.3 空气动力学措施
• 1.4 本文主要工作
• 第2章 节段模型风洞试验概况
• 2.1 引言
• 2.2 试验设备
• 2.2.1 风洞设备
• 2.2.2 风速和风压采集系统
• 2.2.3 三自由度强迫振动试验系统
• 2.2.4 触发系统
• 2.3 试验模型及参数
• 2.3.1 试验模型及参数
• 2.4 试验工况
• 第3章 测压试验结果分析
• 3.1 拉索气动力系数的定义
• 3.2 光拉索模型试验结果
• 3.2.1 固定光拉索模型（工况1）
• 3.2.2 竖向振动光拉索模型（工况2）
• 3.3 粘贴水线的固定拉索模型（工况3）
• 3.3.1 拉索和水线的风压系数
• 3.3.2 拉索和水线表面风压的功率谱
• 3.3.3 拉索和水线的平均阻力和升力系数
• 3.4 粘贴水线的竖向振动拉索模型（工况4）
• 3.4.1 拉索和水线的风压系数
• 3.4.2 拉索和水线表面风压的功率谱
• 3.4.3 拉索和水线的平均阻力和升力系数
• 3.5 粘贴水线的竖向和扭转振动拉索模型（工况6）
• 3.5.1 拉索模型的风压系数
• 3.5.2 拉索和水线的平均气动力系数
• 3.5.3 拉索和水线的气动力系数时程
• 3.5.4 气动力系数频谱分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 拉索模型强迫振动气动导数识别
• 4.1 引言
• 4.2 强迫振动时域识别方法
• 4.2.1 竖向扭转耦合气动导数识别理论
• 4.2.2 竖向扭转耦合气动导数识别方法
• 4.3 粘贴水线竖向振动拉索的气动导数识别
• 4.3.1 拉索气动升力
• 4.3.2 拉索的气动导数
• 4.4 粘贴水线扭转振动拉索的气动导数识别
• 4.4.1 水线的气动导数
• 4.4.2 水线的脉动气动力时程
• 4.5 粘贴水线的竖向和扭转耦合振动拉索的气动导数识别
• 4.5.1 拉索的气动导数
• 4.5.2 水线的气动导数
• 4.4 本章小结
• 第5章 斜拉索风雨激振的理论分析
• 5.1 二维拉索风雨激振两自由度理论模型
• 5.1.1 基本假定
• 5.1.2 二维拉索风雨激振两自由度理论模型推导
• 5.2 拉索风雨激振运动方程的求解
• 5.2.1 模型理论分析参数选取
• 5.2.2 作用在单位长度拉索和水线气动力选取
• 5.2.3 风雨激振运动微分方程求解方法
• 5.3 计算结果分析
• 5.3.1 准定常计算结果分析
• 5.3.2 风雨激振机理探讨
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢