波浪形斜拉索的气动力及风致振动特性

斜拉索的风荷载和风致振动问题在工程设计和抗风研究领域备受关注，探索具有 较小气动力和良好抑振性能的新型斜拉索十分必要 . 针对某一特定几何尺寸的波浪形斜拉 索，通过风洞试验方法，研究了该波浪形斜拉索的整体气动力、风压分布、局部气动力、涡激振 动和干索驰振特性. 结果表明：在1.00×105~3.86×105 的雷诺数范围内，波浪形斜拉索的平均阻 力系数总体而言小于标准斜拉索，在低雷诺数范围可减阻 18%，最大平均升力系数相比标准 斜拉索可降低 80%；波浪形斜拉索的风压分布、气动力随雷诺数的整体变化规律与标准斜拉 索相似，但展向相关性较弱；波浪形斜拉索的涡激振动性能显著优于标准斜拉索，最大振幅降 低34%，最大振幅对应的风速提高了16%；干索驰振性能与标准斜拉索的结果相当，最大振幅 可减小5%，但发生振动的风速范围更宽.     

亮化灯具安装后斜拉索三维气动性能试验研究

安装亮化灯具后,斜拉索的气动外形发生明显改变,可能诱发不稳定振动,从而威胁结构的安全,因此有必要对安装亮化灯具后斜拉索的气动性能进行研究．以某大跨斜拉桥为研究背景,选取3种直径的斜拉索设计三维模型,通过风洞试验得到两种灯具安装方案的阻力系数、升力系数、Strouhal数和驰振系数,据此研究安装亮化灯具后斜拉索的驰振特性及旋涡脱落特点．研究结果表明：由于方案一中铝槽的存在,发生驰振的概率较大;将灯具直接固定于拉索表面的方案二产生驰振的概率较低,但旋涡脱落强度与频率并无明显区别;风偏角对旋涡脱落频率与强度产生较大影响．研究结果可为同类型工程提供参考．     

桥梁长索结构风致振动研究新进展

随着桥梁跨径的增大,桥梁索结构的长细比越来越大、频率越来越低,出现了一些 新的风致振动问题,如悬索桥吊索风致振动、斜拉索高阶涡激共振、安装亮化灯具的桥梁索结 构驰振等. 针对这些新挑战,采用现场观测、风洞试验和理论分析等手段,研究人员进行了系统 的机理研究,并提出了一些有效的振动控制措施. 结果表明：悬索桥吊索风致振动的机理复杂, 在斜拉索上积累的振动控制经验难以直接应用,安装刚性分隔架是抑制索股相对振动的有效 手段;已在多座大跨径斜拉桥上观测到斜拉索高阶涡激共振,增加了斜拉索振动控制的难度, 采用双阻尼器是可同时控制斜拉索高阶涡激共振和低阶风雨激振的有效方案;在桥梁索结构 上安装亮化灯具极易引发驰振,增加阻尼器和优化灯具气动外形是避免该类振动的有效措施.     

温度和桥面激励联合作用下斜拉索非线性振动特性分析

研究热状态下受桥面激励作用的超长斜拉索主参数共振问题。计入斜拉索初始垂度和几何非线性的影响,建立温度场中斜拉索的非线性振动力学模型,推导出热状态下受桥面激励作用的斜拉索面内参数振动控制方程,利用多尺度法求解系统主参数共振的近似理论解,并编制程序进行数值计算,分析温度变化、激励幅值、调谐值、索力、阻尼比对系统振动的影响。结果表明:随着温度升高,斜拉索主参数共振区增大,但其振幅有减小趋势;增大桥面激励幅值,会使得拉索参数共振区显著增大,而增大索力和阻尼,拉索共振区将减小;拉索发生参数振动时具有硬弹簧特性,幅频曲线随调谐值的增大存在多值响应,会出现"跳跃现象"。     

被动负刚度装置与线性滞回阻尼器组合对斜拉索 多模态振动的阻尼效果

提出了结合负刚度装置提升线性滞回阻尼器对斜拉索多模态振动控制效果的方 法 . 考虑被动负刚度装置与阻尼器在斜拉索上任意位置安装,采用斜拉索两点施控系统特征 方程,讨论了安装位置、线性滞回阻尼器参数、负刚度系数等对斜拉索多模态阻尼的影响 . 结 果表明,被动负刚度装置能有效提升线性滞回阻尼器对斜拉索的多阶模态阻尼比,其安装位 置越靠近阻尼器,阻尼提升效果越明显. 进一步,以苏通大桥某附有黏性剪切阻尼器的超长拉 索为例进行了实际设计,讨论了被动负刚度的可行性,并与结合惯容器的阻尼器进行了对比, 结果表明,被动负刚度装置对斜拉索-阻尼器系统多模态阻尼提升效果更好.     

不同索径拉索风雨激励稳定性影响试验研究

在实验室条件下采用人工模拟降雨成功重现了两种直径拉索的风雨激振现象,系统研究了风速、雨强、结构阻尼比等参数对风雨激振的影响以及螺旋线对拉索振动的抑制作用.试验表明,不同折算风速下拉索大幅振动的机理存在一定差异:在较高折算风速下拉索振动更类似限幅的准驰振振动;在低折算风速下拉索的振动与尾流中的低频涡关系更密切,即是一种涡致振动.     

斜拉索风雨激振面内运动的非线性分析

为深入研究斜拉索风雨激振面内的运动特性,依据弹性力学和气动弹性理论建立了连续斜拉索风雨激振面内非线性振动方程,利用伽辽金方法将偏微分方程转化为常微分方程.借助多尺度法得到面内一阶振动方程的平均方程和定常解,利用奇异性理论对系统进行分岔分析,确定了系统在零平衡点附近发生Hopf分岔对应的风速以及拉索发生风雨激振时对应的水线频率的范围.对拉索前四阶模态的振幅进行了数值模拟,考察了拉索以第一阶模态振动时风速、结构阻尼比等系统参数对拉索振幅的影响.研究表明,连续面内振动方程更能体现斜拉索风雨激振完整的动力学特性,同时系统中存在多种分岔行为.     

运动水线三维连续弹性拉索风雨激振理论模型

采用已有的水线气动力数据,假设拉索和水线之间相互作用力为库仑阻尼力和线性阻尼力,推导了三维连续弹性拉索和三维连续水线的运动偏微分方程,采用数值方法进行求解,得到三维连续拉索和三维连续水线的风雨激振响应规律.结果表明:当三维连续拉索大部分截面处于易于起振的风速区域时,水线在这些拉索截面形成并处于竖向平均气动力系数的突降区,三维连续弹性拉索发生大幅振动.拉索的振动含有多阶拉索固有频率成分,且水线除了在拉索固有频率处有能量峰值外,在5 Hz以下的其他频段均有少量的能量分布.另外,拉索和水线的库仑阻尼力增大,拉索振幅增大;当拉索模态阻尼比达到0.5%时,可有效地抑制拉索的风雨激振振动.     

斜拉索表面水膜形态及斜拉索气动力变化规律

斜拉索表面水线的形成与振荡是斜拉索发生风雨激振的重要原因之一.为研究水线运动与风雨激振现象间的内在联系,本文将滑移理论与计算流体力学相结合,考虑斜拉索表面水膜形态对风压力系数和风摩擦力系数的影响,建立了一个模拟风雨条件下斜拉索表面水膜形态变化的理论模型;在此模型基础上推导出风雨作用下斜拉索气动力计算公式,通过数值模拟得到不同风速下的斜拉索表面水膜形态及气动力变化规律,分析二者间的内在联系.与已有的试验结果对比发现:当斜拉索发生风雨激振现象时,水线形态变化与气动力变化频率相同,且接近拉索的自振频率,说明风雨激振现象的产生原因是水线形态的周期性变化引起拉索的共振.     

螺旋线对斜拉索涡激振动特性影响的试验研究

为研究不同参数的螺旋线对斜拉索涡激振动特性和气动力的影响规律,进行了针对表面无螺旋线斜拉索和缠绕不同参数螺旋线斜拉索的节段模型风洞试验,螺旋线参数包括根数、直径和缠绕间距. 结果表明：斜拉索表面缠绕1根螺旋线的涡激振动振幅远大于2根或3根螺旋线;在亚临界雷诺数区,缠绕螺旋线斜拉索的平均气动阻力系数均小于无螺旋线斜拉索,最多可减小10.9%;缠绕2根螺旋线的斜拉索平均阻力系数整体比3根螺旋线小. 斜拉索表面缠绕间距s=8D（D为斜拉索直径）的2根螺旋线时,缠绕直径d<15 mm螺旋线的斜拉索涡激振动现象明显;d ≥15 mm的螺旋线可显著降低斜拉索涡激振动响应幅值,其脉动升力系数相较于无螺旋线斜拉索有明显降低,证明缠绕大直径螺旋线对涡激振动响应控制的有效性. 螺旋线的缠绕间距对斜拉索涡激振动的影响与螺旋线直径有关,当螺旋线直径较小时,缠绕间距对涡激振动的影响并不明显;当螺旋线直径较大时,间距的大小直接影响涡激振动的抑制效果.