柔性橋梁渦振幅值與軟馳振曲線預(yù)測(cè)方法研究.pdf

1、已有多座大跨度橋梁的主梁發(fā)生了高階豎向模態(tài)的渦激共振病害，高階模態(tài)的加速度響應(yīng)隨著模態(tài)階次的升高按振動(dòng)頻率的平方增大，這給服役期的大跨度橋梁帶來了巨大的安全隱患。大跨度鋼桁架拱橋的大長(zhǎng)細(xì)比矩形截面桿件也經(jīng)常遭受風(fēng)致振動(dòng)病害，渦振與馳振這兩種不同類型的振動(dòng)在這類桿件中容易耦合形成一種軟馳振響應(yīng)，幅值響應(yīng)曲線表現(xiàn)出隨著風(fēng)速的增加而不斷增大直至結(jié)構(gòu)破壞的趨勢(shì)，這是大跨度鋼桁架拱橋設(shè)計(jì)中需要解決的重大問題之一。本文針對(duì)上述大跨度橋梁的柔性主梁和

2、大長(zhǎng)細(xì)比矩形截面橋梁桿件的風(fēng)致振動(dòng)背景，開展了相關(guān)的幅值估算工作，主要進(jìn)行了以下方面的研究:
　　(1)采用一根大長(zhǎng)細(xì)比矩形截面鋼管作為原型桿件開展風(fēng)洞試驗(yàn)，實(shí)測(cè)桿件在不同迎風(fēng)狀態(tài)下的基頻模態(tài)渦振和軟馳振響應(yīng);按照1∶1的原則分別設(shè)計(jì)節(jié)段模型并開展風(fēng)洞試驗(yàn)，將原型桿件和1∶1節(jié)段模型的渦振與軟馳振響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，研究3D效應(yīng)對(duì)桿件基頻模態(tài)最大渦振幅值與軟馳振響應(yīng)的影響。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果顯示原型桿件和1∶1節(jié)段模型實(shí)測(cè)的渦振幅值比值為1.

3、20;而大振幅階段軟馳振響應(yīng)幅值卻基本維持相同。
　　(2)基于一個(gè)多點(diǎn)彈性支撐氣彈模型開展風(fēng)洞試驗(yàn)，實(shí)測(cè)模型的高階模態(tài)渦振響應(yīng)，對(duì)比分析各階模態(tài)的動(dòng)力參數(shù)以及最大渦振幅值響應(yīng);基于多點(diǎn)彈性支撐模型5、6、7階模態(tài)參數(shù)按照1∶1的原則分別設(shè)計(jì)節(jié)段模型并開展相應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)，將氣彈模型與1∶1節(jié)段模型的渦振響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，研究3D效應(yīng)對(duì)高階模態(tài)最大渦振幅值響應(yīng)的影響。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果顯示多點(diǎn)彈性支撐模型5、6、7階模態(tài)的最大渦振響應(yīng)幅值與相

4、應(yīng)的1∶1節(jié)段模型渦振幅值的比值系數(shù)在1.25～1.32之間。
　　(3)針對(duì)多點(diǎn)彈性支撐氣彈模型的高階模態(tài)響應(yīng)，采用強(qiáng)迫振動(dòng)的方式開展了氣動(dòng)力展向相關(guān)性識(shí)別風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了振幅、振型以及渦振鎖定區(qū)間不同區(qū)段對(duì)多點(diǎn)彈性支撐氣彈模型高階模態(tài)單個(gè)振型波內(nèi)氣動(dòng)升力展向相關(guān)性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明升力展向相關(guān)性系數(shù)隨著振幅的增大而增大，相同振幅下升力展向相關(guān)性系數(shù)伴隨著模態(tài)階次的升高而增大，渦振鎖定區(qū)間內(nèi)上升段、幅值點(diǎn)、下降段的升力展向相關(guān)

5、性依次減弱。
　　(4)開展了針對(duì)節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)中實(shí)測(cè)的軟馳振響應(yīng)和同一組節(jié)段模型參數(shù)下出現(xiàn)兩個(gè)分離的豎向自由度渦振鎖定區(qū)間現(xiàn)象的CFD數(shù)值模擬，數(shù)值計(jì)算得到了與風(fēng)洞試驗(yàn)實(shí)測(cè)一致的風(fēng)振響應(yīng)曲線。CFD后處理識(shí)別了上述兩種不同類型振動(dòng)的尾流渦形態(tài)，研究了氣動(dòng)力的時(shí)程和頻譜特性，討論了氣動(dòng)力、結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)、氣動(dòng)力與結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)之間的相位差以及尾流渦跡的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
　　(5)以2DTamura尾流振子渦激力模型為基礎(chǔ)，考慮3D振

6、型和展向相關(guān)性的影響提出了修正的3D數(shù)學(xué)模型，并基于本文中多點(diǎn)彈性支撐氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)中實(shí)測(cè)的高階渦振數(shù)據(jù)對(duì)該模型的計(jì)算準(zhǔn)確度進(jìn)行了驗(yàn)證，并討論了將該模型應(yīng)用于大跨度橋梁主梁高階渦振幅值估算的可行性。
　　(6)針對(duì)大長(zhǎng)細(xì)比矩形截面桿件渦振與馳振處于耦合狀態(tài)的軟馳振現(xiàn)象，開展了基于耦合數(shù)學(xué)模型的數(shù)值計(jì)算，確定了影響軟馳振幅值響應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)即為矩形截面寬高比?；诖罅繉?shí)測(cè)的軟馳振響應(yīng)數(shù)據(jù)開展針對(duì)軟馳振響應(yīng)無量綱幅值隨無量綱風(fēng)速增長(zhǎng)的