大跨度橋梁顫振性能的數(shù)值模擬研究.pdf

1、對于大跨度柔性橋梁，顫振是最為嚴重的一種風致發(fā)散振動，必須嚴格杜絕。首先回顧了橋梁結(jié)構(gòu)風致響應模擬的發(fā)展，總結(jié)了橋梁結(jié)構(gòu)顫振導數(shù)識別與顫振分析的研究現(xiàn)狀。針對現(xiàn)存的問題和不足，本文在典型主梁斷面的顫振導數(shù)識別、顫振導數(shù)參數(shù)分析、自激力非線性特性、零風速下非線性氣動效應、發(fā)散性顫振特性和極限環(huán)顫振特性六個方面展開了深入的數(shù)值模擬研究，主要的研究內(nèi)容和結(jié)論有:
　　(1)首次采用3自由度(three-degree-of-freedom

2、，簡稱3-DOF)耦合強迫振動數(shù)值模擬法識別了主梁斷面的顫振導數(shù);通過識別薄平板斷面和典型主梁斷面的顫振導數(shù)，并將識別結(jié)果與解析解和試驗結(jié)果進行了對比分析，驗證了本文耦合數(shù)值方法的可靠性和有效性;相比分狀態(tài)強迫振動法，本文的耦合振動模擬法在提供相同識別精度的前提下，節(jié)省了67％的計算時間;提出了指數(shù)衰減/發(fā)散強迫振動法研究阻尼比和振幅對顫振導數(shù)影響的方法，模擬了薄平板斷面和鈍體主梁斷面在不同阻尼比和振幅下的顫振導數(shù)，結(jié)果表明阻尼比和振幅

3、對顫振導數(shù)均有不同程度的影響;本文提出的方法為顫振導數(shù)的參數(shù)分析提供一種更快捷有效的方法。
　　(2)通過諧波分析研究了自激力的非線性特性，同時從數(shù)學上驗證了顫振導數(shù)的識別結(jié)果與高階諧波分量無關(guān)，結(jié)果表明自激阻力包含較大的高階諧波分量，線性自激力模型將不再適用;探討了不同振動形式下自激力的模態(tài)疊加假定的適用性。建立了同時考慮一階和高階諧波分量的非線性自激阻力模型，同時識別了相對應的側(cè)向顫振導數(shù);通過模擬四種典型主梁斷面在豎向、側(cè)向

4、和扭轉(zhuǎn)振動過程中的自激阻力，驗證了本文的非線性模型的有效性。數(shù)值模擬結(jié)果表明自激阻力的非線性特性主要依賴于主梁斷面的氣動外形，斷面的上下對稱性是決定高階諧波分量比重的關(guān)鍵因素。
　　(3)基于弱耦合方法，建立了橋梁結(jié)構(gòu)的風振響應計算的數(shù)值模型，提出了零風速下振動橋梁斷面的氣動力數(shù)學表達式，模擬了薄平板斷面和主梁斷面在零風速下的自由振動響應，進而計算了斷面的非線性振動頻率和阻尼比。結(jié)果表明:零風速下豎向和扭轉(zhuǎn)振動中的主梁斷面，若忽略

5、氣動效應，將會帶來一定的誤差。
　　(4)模擬了薄平板斷面和流線型主梁斷面在不同風速下的振動響應及顫振臨界狀態(tài)，通過本文數(shù)值模型計算的顫振臨界風速和顫振頻率與解析解和試驗結(jié)果完全吻合;分析了主梁斷面在顫振過程中的氣動扭轉(zhuǎn)中心橫向偏移特性;從斷面振動過程中能量交換的角度分析了發(fā)散性顫振的驅(qū)動機理，并進一步分析了顫振過程中模型表面不同位置的氣流能量輸入特點。結(jié)果表明由于彎扭耦合效應，主梁斷面發(fā)生顫振時的氣動扭轉(zhuǎn)中心位置會發(fā)生周期性的變

6、化;位移和氣動力之間相位角直接決定一個周期內(nèi)氣動力做的有效功是正功還是負功;在發(fā)散性顫振過程中，由于分離渦的生成和迎風面駐點位置的轉(zhuǎn)移，主梁表面的主要吸能區(qū)域隨著振幅的增大會顯著增大。
　　(5)模擬了流線型主梁斷面在不同初始攻角和不同來流風速下的極限環(huán)顫振(LimitCycle Flutter，簡稱LCF)響應，研究了側(cè)向自由度參與、結(jié)構(gòu)固有阻尼比和初始激勵對LCF響應的影響，研究結(jié)果表明隨著初始攻角的增大，主梁斷面的氣動外形變

7、得更加鈍，從而導致更易發(fā)生LCF;側(cè)向自由度對LCF響應影響很小;結(jié)構(gòu)固有阻尼比對LCF臨界風速和振幅影響較大;LCF的穩(wěn)態(tài)響應與初始激勵大小無關(guān)。
　　(6)探討了主梁斷面LCF過程中的氣動力的非線性特性和遲滯特性，對主梁表面不同位置的脈動風壓進行了諧波分析，從主梁斷面振動過程中能量交換的角度分析了LCF的驅(qū)動機理。結(jié)果表明，主梁斷面在LCF過程中的氣動力和位移是由若干個頻率成整數(shù)倍關(guān)系的諧波分量組成;氣動力做功以一階諧波分量做