柔性橋梁渦振幅值與軟馳振曲線預測方法研究.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)的加速度響應隨著模態(tài)階次的升高按振動頻率的平方增大，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細比矩形截面桿件也經(jīng)常遭受風致振動病害，渦振與馳振這兩種不同類型的振動在這類桿件中容易耦合形成一種軟馳振響應，幅值響應曲線表現(xiàn)出隨著風速的增加而不斷增大直至結(jié)構(gòu)破壞的趨勢，這是大跨度鋼桁架拱橋設計中需要解決的重大問題之一。本文針對上述大跨度橋梁的柔性主梁和

2、大長細比矩形截面橋梁桿件的風致振動背景，開展了相關的幅值估算工作，主要進行了以下方面的研究:
　　(1)采用一根大長細比矩形截面鋼管作為原型桿件開展風洞試驗，實測桿件在不同迎風狀態(tài)下的基頻模態(tài)渦振和軟馳振響應;按照1∶1的原則分別設計節(jié)段模型并開展風洞試驗，將原型桿件和1∶1節(jié)段模型的渦振與軟馳振響應進行對比，研究3D效應對桿件基頻模態(tài)最大渦振幅值與軟馳振響應的影響。對比試驗結(jié)果顯示原型桿件和1∶1節(jié)段模型實測的渦振幅值比值為1.

3、20;而大振幅階段軟馳振響應幅值卻基本維持相同。
　　(2)基于一個多點彈性支撐氣彈模型開展風洞試驗，實測模型的高階模態(tài)渦振響應，對比分析各階模態(tài)的動力參數(shù)以及最大渦振幅值響應;基于多點彈性支撐模型5、6、7階模態(tài)參數(shù)按照1∶1的原則分別設計節(jié)段模型并開展相應的風洞試驗，將氣彈模型與1∶1節(jié)段模型的渦振響應進行對比，研究3D效應對高階模態(tài)最大渦振幅值響應的影響。對比試驗結(jié)果顯示多點彈性支撐模型5、6、7階模態(tài)的最大渦振響應幅值與相

4、應的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)針對多點彈性支撐氣彈模型的高階模態(tài)響應，采用強迫振動的方式開展了氣動力展向相關性識別風洞試驗，研究了振幅、振型以及渦振鎖定區(qū)間不同區(qū)段對多點彈性支撐氣彈模型高階模態(tài)單個振型波內(nèi)氣動升力展向相關性的影響。試驗結(jié)果表明升力展向相關性系數(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、下降段的升力展向相關

5、性依次減弱。
　　(4)開展了針對節(jié)段模型風洞試驗中實測的軟馳振響應和同一組節(jié)段模型參數(shù)下出現(xiàn)兩個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)值計算得到了與風洞試驗實測一致的風振響應曲線。CFD后處理識別了上述兩種不同類型振動的尾流渦形態(tài)，研究了氣動力的時程和頻譜特性，討論了氣動力、結(jié)構(gòu)位移響應、氣動力與結(jié)構(gòu)位移響應之間的相位差以及尾流渦跡的對應關系。
　　(5)以2DTamura尾流振子渦激力模型為基礎，考慮3D振

6、型和展向相關性的影響提出了修正的3D數(shù)學模型，并基于本文中多點彈性支撐氣彈模型風洞試驗中實測的高階渦振數(shù)據(jù)對該模型的計算準確度進行了驗證，并討論了將該模型應用于大跨度橋梁主梁高階渦振幅值估算的可行性。
　　(6)針對大長細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)學模型的數(shù)值計算，確定了影響軟馳振幅值響應的關鍵參數(shù)即為矩形截面寬高比?；诖罅繉崪y的軟馳振響應數(shù)據(jù)開展針對軟馳振響應無量綱幅值隨無量綱風速增長的