大跨度柔性橋梁雙索股尾流馳振機理研究.pdf

1、近30年來，國內(nèi)外橋梁工程經(jīng)歷了前所未有的高速發(fā)展。大跨度柔性橋梁（懸索橋和斜拉橋）的跨徑越來越大，作為該類型橋梁主要傳力構(gòu)件的吊（拉）索的長度也變得越來越長。由于吊（拉）索具有自重輕、柔度大、阻尼低的特點，極易發(fā)生各類風(fēng)致振動。國內(nèi)外已有多座纜索承重橋梁發(fā)生吊（拉）索的大幅風(fēng)致振動現(xiàn)象，如跨徑排名世界前三的日本明石海峽大橋、我國舟山西堠門大橋及丹麥大海帶東橋均有類似風(fēng)致振動的報道。這些風(fēng)致振動會加劇結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，并引起使用者的恐慌，

2、增加交通隱患。
　　懸索橋吊索風(fēng)致振動的機理可能有多種，本文針對吊索索股之間的氣動干擾進行研究。依據(jù)多索股吊索在起振初期，迎風(fēng)索股基本不動，其余索股相繼振動的現(xiàn)象，將多索股之間的起振機理研究模型簡化為迎風(fēng)索股與尾流索股之間的雙索股作用模型，這一模型也適應(yīng)于兩并列斜拉索的尾流馳振研究。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)制作了雙索股節(jié)段模型，進行了多工況的尾流索股風(fēng)洞測力試驗。得到了尾流索股的平均阻力系數(shù)CD、平均升力系數(shù)CL隨前后

3、索股相對位置的變化情況。以此為基礎(chǔ)，采用Routh-Hurwitz判據(jù)研究了懸索橋吊索尾流索股發(fā)生尾流馳振的不穩(wěn)定區(qū)間。結(jié)果表明:尾流索股的CD和CL分別關(guān)于尾流中心線正對稱和反對稱分布，并在距離尾流中心線約2倍直徑范圍內(nèi)變化最為劇烈。尾流索股發(fā)生尾流馳振的失穩(wěn)區(qū)間為條帶狀，寬約為1倍吊索直徑，關(guān)于尾流中心線正對稱分布。
　　(2)在準定常假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立了懸索橋吊索尾流馳振理論分析模型。采用Runge-Kutta方法分析了尾流

4、索股的響應(yīng)。結(jié)果表明:①在尾流中心線上側(cè)，尾流索股按順時針方向運動，運動軌跡主軸與順風(fēng)向的夾角為鈍角;在尾流中心線下側(cè)，尾流索股按逆時針方向運動，運動軌跡主軸與順風(fēng)向的夾角為銳角。②在尾流馳振失穩(wěn)區(qū)域上，索股的響應(yīng)頻率顯著降低，表現(xiàn)出了顯著的氣動負剛度效應(yīng)。③結(jié)構(gòu)固有頻率對索股尾流馳振影響顯著。當(dāng)結(jié)構(gòu)兩個方向上的頻率相等且同時增加到一定程度時，可以有效抑制尾流馳振的發(fā)生;當(dāng)兩個方向頻率不相等時，如果橫風(fēng)向頻率不變而順風(fēng)向頻率略為增加，尾

5、流馳振的發(fā)生區(qū)域大幅縮小，且振動幅值有明顯減小趨勢。
　　(3)采用一種基于物理內(nèi)涵的氣動力算法，定量研究了尾流索股所受氣動力及其各分量的大小。結(jié)果表明:定常氣動力要比氣動剛度力大約一個數(shù)量級，氣動剛度力比氣動阻尼力約大一個數(shù)量級。氣動剛度系數(shù)約為結(jié)構(gòu)剛度系數(shù)的3％～10％，氣動阻尼系數(shù)約為結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)的5倍左右。
　　(4)采用能量分析法研究了尾流馳振的失穩(wěn)機理。結(jié)果表明:氣動阻尼力及結(jié)構(gòu)固有阻尼力所做的功都總為負。如果在