斜拉桥拉索风雨激振的机理研究

进行了粘贴人工水线的斜拉桥拉索模型的风洞试验,并给出了效果;建立了拉索风雨激振的力学模型,并分析了拉索风雨激振的动力特性和各个参数的影响。     

斜拉桥拉索风雨激振控制的试验研究

斜拉桥拉索因其柔度大、质量小、阻尼低的特点，在风雨共同作用下易发生大幅振动，对斜拉桥的危害极为严重．目前，对拉索进行表面形状处理的方法被认为是较为有效的风振控制措施．为此在模拟人工降雨条件下，进行了拉索风雨激振和气动控制措施的风洞试验，研究了多种参数对拉索风雨激振特性的影响，特别研究了降低拉索风雨激振的螺旋线方法．实验结果表明，适当设计螺旋线的高度和螺距可消除拉索的风雨激振．     

斜拉桥拉索风雨激振研究的实验设计

设计了一种用于斜拉桥拉索风雨激振研究的试验装置 ,并进行了人工降雨雨振试验、人工水线雨振试验、气动措施制振试验及气动措施测力试验四组试验。试验结果表明 ,用此种试验方法研究拉索风雨激振是可行的 ,并得到了判断气动措施制振效果的定量分析方法。     

观音岩大桥拉索抗风雨激振措施研究

本文论述了观音岩大桥的概况,分析了斜拉桥拉索振动的影响因素并提出了相应的抗风雨激振的解决措施。     

基于高性能材料的大跨径斜拉桥抗风性能分析

为了研究活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)和碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)在大跨径斜拉桥中应用的可行性,以主跨1 100m的钢斜拉索、钢主梁、普通混凝土索塔斜拉桥设计方案为基础,构造了一座同等布置形式的CFRP拉索、RPC主梁、RPC索塔斜拉桥方案.采用有限元法对2种方案斜拉桥的动力特性、抗风性能等进行了分析和比较.结果表明:2种方案结构的自振基频相差不大,CFRP索RPC主梁斜拉桥的主梁颤振稳定性有所提高,其抖振响应位移较钢索钢主梁斜拉桥明显降低.CFRP拉索的自振频率达钢斜拉索的2倍;与钢斜拉索相比,CFRP拉索涡振幅值有所增大,但整体而言2种方案斜拉索的涡振幅值均很小,不影响其安全;CFRP拉索的风雨激振振幅不到钢斜拉索的1/2,且前者与风雨激振相关的临界风速较后者有所提高.应用高性能材料RPC与CFRP的大跨径斜拉桥整体抗风性能优于传统的钢斜拉索钢主梁斜拉桥,从抗风性能角度而言,将高性能材料RPC与CFRP应用于大跨径斜拉桥中是可行的.     

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.     

风雨激振时拉索响应、升力及水膜形态研究

风雨激振涉及到气、液、固3种相态的相互耦合作用,在数值模拟方面存在困难.在水膜形态与拉索振动双向耦合方程的基础上,应用有限差分法求解;在保证精度的前提下,提高增量步长,大幅减少计算时间;应用有限元软件COMSOL求解随时间变化的风压力系数和风摩擦力系数;分别研究了特定风速下的拉索振动响应、拉索升力以及水膜形态变化,并分析了三者之间的关系,以揭示风雨激振的产生机理.获得了基于双向耦合方程的拉索振动持续140s的数值模拟结果.结果表明:拉索表面水膜形态的周期性变化导致拉索升力的周期性变化,从而引起拉索的大幅度振动;水线与拉索间的共振是产生风雨激振现象的主要原因.     

斜拉桥拉索风雨激振的理论分析

讨论了风雨激振产生和发展的机理。通过建立拉索风雨激振的运动方程，运用数值计算讨论了风雨激振中有关空气密度、阻力、风速、水线平衡位置、拉索与水线固有频率、水线质量和粘附力的7个量纲为1的参数对系统运动中的作用，然后作了运动的水线两种情况下拉索振幅的比较，最后将计算结果与Hikami所做的风洞试验结果作分析比较。     

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.     

斜拉桥拉索的风雨激励振动特性

针对干燥气候下的稳定拉索在风雨共同作用下产生大幅振荡这一现象，运用弹性力学和空气动力学理论，考虑索的垂度、大位移引起的几何非线性及风雨和拉索的相互作用等因素，建立了拉索的非线性动力学方程组，采用Runge-Kutta法对方程组进行数值计算，分析了系统的非线性动力学特性，得到了在不同相关参数下拉索的跨中位移幅值曲线．结果表明，拉索的风雨激振主要与风速、风速偏航角、水线的平衡位置及密度比等因素有关．密度比是主要影响因素，拉索幅值随密度比的增大而增大，而拉索的垂度、大位移而引起的几何非线性对拉索风雨激振的影响较小．理论结果与Hikami试验结果基本吻合。     

关于斜拉桥斜拉索减振阻尼器的应用技术研究

我国是桥梁大国,斜拉桥设计与施工技术处于世界领先水平,随着各国桥梁建设者对斜拉索振动机理的深入研究和认识,其机理大致可分为:斜拉索结构自身运动引起的参数共振和空气动力作用引起的风致振动等。有些斜拉桥由于风雨激振现象会导致斜拉索的振幅可达到索径的5～10倍,这将给斜拉桥造成严重的安全隐患。因此研究斜拉索减振技术具有重要工程意义。下面从斜拉索的振动机理入手,简要介绍阻尼器的类型、减振控制方法和安装要求等应用技术。     

基于现场观测的拉索风雨振特性研究

通过对岳阳洞庭湖大桥拉索风雨振进行了现场实测所获得的拉索振动的加速度时程记录及实时的风场与雨量记录.利用拉索的振动方程与数值计算方法对拉索的振动特征进行了研究.分析结果表明:风雨振是拉索发生的一种大幅、低频振动.拉索风雨振存在一个最低临界风速,并且存在一个风向敏感区.图7,表1,参8.     

考虑索-梁耦合的斜拉索2∶1参激共振分析与数值模拟

针对斜拉桥拉索与桥面耦合振动的参激共振问题,区别于弹簧-质量块、拉索-质量块等参激共振模型,建立了索-梁耦合的参激共振模型,推导了无量纲参激共振微分方程组,利用多尺度近似求解方法对系统的参激共振特性进行探讨,并以实际斜拉桥工程中的拉索为研究对象,利用四阶龙格-库塔方法进行了多种工况下的数值模拟分析.研究表明:当耦合系统发生2∶1参激共振时,系统响应对拉索初始位移条件的反应不敏感,而是随着桥面梁端部竖向初始位移的增加而增大,但幅频特性曲线一般为单峰平稳,仅在桥面梁位移激励幅值较大时出现毛刺现象,说明拉索此时发生三维空间振动;特别是当桥面梁端部的位移激励幅值为10-6m量级甚至更小时,仍然能够激起拉索的大幅"拍"振,说明索-梁耦合系统的启动阈值很低,参激共振控制问题不容忽视.     

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.     

斜拉索风雨激振的非线性理论研究

研究两个自由度的斜拉索风雨激振模型,利用符号代数语言Mathematica对系统进行数值分析,得到了索结构和水线的运动相图,结果表明他们的运动均收敛于稳定的极限环。同时分析讨论了拉索结构阻尼、风攻角等因素对系统运动的影响。     

斜拉索在随机风-车-覆冰联合作用下的疲劳可靠度分析

为了分析随机风-车荷载及覆冰联合作用下的斜拉索的疲劳可靠度,以武汉天兴洲长江大桥为工程背景进行研究。首先,根据Monte Carlo法组成随机车队,模拟随机车辆荷载谱,将车辆模型转化为节点动力荷载输入斜拉桥模型中,通过谐波叠加法生成风速时程,将风荷载引起的静风力、抖振力、气动自激力施加到斜拉桥模型中;然后,依据横风向驰振理论,考虑扇形索覆冰引起的自激振动影响,采用Fluent软件模拟拉索在覆冰状态下的升力系数,求出30°风攻角下的升力并施加到拉索上,将拉索计算出的时程力施加到对应的主梁模拟点上;最后,基于累积损伤理论,分别对斜拉桥在单一车荷载、风-车荷载联合作用及风-车-覆冰联合作用下拉索的疲劳可靠度进行分析,得到拉索的疲劳可靠度指标。研究结果表明:风-车荷载联合作用下拉索的疲劳可靠度指标明显低于单一随机车荷载作用下的疲劳可靠度指标,最短索的疲劳可靠度指标降低了约21%;覆冰会降低拉索的疲劳可靠度指标,但其降低幅度不大,考虑到覆冰作用引起的最大索力大于其他2种工况的最大索力,其影响不能忽略;风荷载对拉索的疲劳可靠度影响显著,且随着拉索长度增大,影响也逐渐增大。该方法主要是将荷载以节点动力荷载的形式施加到桥面模拟点上,因此该方法同样适用于其他桥梁的疲劳可靠度分析。     

浅谈斜拉索的风振现象和抑振措施

介绍了斜拉桥拉索风振现象的形成及其特征,并简介了抑振设计中采用的一些措施。     

斜拉索风雨激振空间模型

斜拉索风雨激振是复杂的气、液、固三相耦合振动问题 ,目前研究仅给出二维平面力学模型 .为考虑整根拉索振动的影响 ,引入了多振型自由度索单元模拟斜拉索的空间振动曲线 ,同时考虑水线和索的耦合振动以及水线位置对拉索气动特性的影响 ,推导了拉索—水线耦合振动的非线性方程 .为考虑系统运动的稳定性 ,引入Hurwitz判别式 ,可以迭代求得最小失稳临界风速 .最后通过算例验证了本文方法的正确性