第十四讲-桥梁风致振动分析

同济大学土木工程学院桥梁工程系高等结构动力学同济大学土木工程防灾国家重点实验室桥梁工程系主讲教师：葛耀君博士教授曹曙阳博士教授同济大学土木工程学院桥梁工程系第十二章桥梁风致振动分析第一节设计风速定义第二节气动参数识别第三节动力特性分析第四节静风性能验算第五节风振性能检验第六节抗风性能改善第七节抗风设计发展同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系第一节设计风速定义1.1平均风速()参考风速—参考风速离地高度—地表粗糙度指数—RRRRdUzzzUzUαα=()()()z,tuzUz,tU+=随机过程脉动风速—随机变量平均风速—，u，U同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系1.2阵风风速()()zUGzUdvg=1.56.~1.16:.,范》《公路桥梁抗风设计规风洞试验确定可按有关规范或风环境阵风因子—vG1.3紊流强度u=σ==σ=σ=按—按—的数值可按规范确定特征高度—同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系1.4脉动风谱()()()())(416:)(501200:22*3/52*谱垂直方向谱水平来流PanofskyffunnSSimiuffunnSwu+=+=1.5相关函数()21~7exp,:=ΔΔ−=Δλλλγ衰减系数，—空间相对位置坐标—特征频率—空间相关性rfUrfrfd同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系第二节气动参数识别2.1断面流迹显示2.2Strouhal数识别识别方法物理风洞试验方法数值风洞试验方法(CFD方法)等压线、等速线、表面粒子(1)烟雾照相(2)数值模拟(1)尾流涡脱卓越频率测量(2)CFD数值模拟计算UfBSt=同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系2.3静力系数识别αραραρddCFBUCddCFBUCddCFBUCMMMDDDLLL,:,:,:2221221221⋅=⋅=⋅=升力矩系数阻力系数升力系数(1)节段模型测力试验(2)CFD数值模拟计算三分力系数也可表示成体轴系数座标，MzyCC,C和同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系2.4气动导数识别()()()65,4,3,2,,1:65,4,3,2,,1:65,4,3,2,,1:===iAiPiH*i*i*i升力矩方向阻力方向升力方向(1)节段模型测振试验(2)CFD数值模拟计算大多数情况下气动导数值()4321**,,,iAHii=和同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系第三节动力特性分析3.1结构计算模型(1)按施工阶段划分(缆索承重桥梁)(a)桥塔自立状态(b)主要拼梁状态(c)全桥成桥状态(2)按主梁离散划分(a)单梁式(b)双梁式(c)三梁式同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系3.2结构振型描述3.3基本振型分析(1)按对称性划分—对称和反对称(2)按特征值划分—一阶、二阶、…(3)按振动特性划分—侧向弯曲、竖向弯曲、扭转(1)同类桥梁固有频率比较(2)扭弯频率比(3)对称或反对称振型出现次序(4)扭转振型耦合特征同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系第四节静风性能验算4.1静风稳定性—扭转发散扭转发散临界风速(1)二维计算模型(2)三维计算模型4.2静风强度荷载最不利组合问题(1)平均风荷载(2)脉动风荷载4.2静风刚度(1)侧向静风位移(2)竖向静风位移(3)扭转静风位移(较小)同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系第五节风振性能检验5.1风振稳定性5.2风振强度(1)驰振临界风速(2)扭转颤振临界风速—变号(3)耦合颤振临界风速—竖弯和扭转耦合(4)涡激共振锁定风速(1)抖振引起的强迫力荷载(2)涡振引起的自激力荷载荷载最不利组合*2A同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系5.3风振刚度(1)抖振位移(a)随机振动分析方法(b)节段模型试验法(c)全桥模型试验法(2)涡振位移(a)理论模型计算法(b)节段模型试验法(c)全桥模型试验法同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系第六节抗风性能改善6.1桥梁抗风性能6.2主梁性能改善措施(1)主梁风振失稳(驰振、颤振)绝对避免(2)主梁涡激振动尽量避免(3)主梁抖振一般不作控制(4)拉索风振或雨振尽量避免(1)结构措施—刚度、质量、约束(2)外形措施—导流、开槽、分流(中央稳定性)，裙板等(3)阻尼措施—TMD、主动、半主动等同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系,,6.3拉索性能改善措施(1)表面处理—刻痕、螺旋线等(2)内置阻尼器—锚箱内(3)外置阻尼器—离索端一定距离(4)稳定索系—交叉索等同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系∵∴第七节抗风设计发展(1)概率性评价和可靠性分析(2)等效风荷载问题(3)基于结构性能(舒适度)的抗风设计(4)风振疲劳问题(5)斜拉桥拉索振动控制(6)考虑周边地形影响的风振问题同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系气动参数识别设计风速定义动力特性分析静风性能检验风振性能检验抗风性能改善抗风设计发展小结同济大学土木工程桥梁工程系博士研究生：读书报告＋课程作业+期终考试读书报告：12月29日08:30桥梁馆204室10min报告、5min提问同时提交5~10千字书面读书报告学期结束工作布置硕士研究生：课程作业＋期终考试作业：共4次成绩：30%+70%期终考试：2012年1月9日10:00~11:40校本部彰武路北大楼401室同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系谢谢大家！