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1、陈政清 湖南大学风工程研究中心2012年6月,桥梁抗风设计方法与工程应用,2,目录,起源与历史桥梁风致振动的类型桥梁风致振动基本理论与抗风设计方法工程应用实例,3,起源与历史,桥梁风工程研究始于1940年塔科马桥风毁事故,位于美国西北的华盛顿州1940年3月通车，1940年7月风毁，风速18 米/秒。主跨853米，桥宽11.9米，梁高2.4米宽跨比1：72，高跨比1：350！主梁截面形式：H型板梁,位于美国西北的华盛顿州1940年3月通车，1940年7月风毁，风速18 米/秒。主跨853米，桥宽11.9米，梁高2.4米宽跨比1：72，高跨比1：350！主梁截面形式：H型板梁,旧塔科马海峡桥风毁
2、事故,原因：扭转颤振风致自激发散振动教训：桥梁要有空气动力稳定性。途径：（1）主梁良好的气动外形（2）保证桥梁扭转刚度（3）风洞试验，（4）建立桥梁抗风理论,6,发展简史,至1950年代：建立气动弹性力学基础Wagner，Theodonson，Sears，1960年代：桥梁颤振理论 Sakata(日本），Scanlan（美国）桥梁抖振理论 Davenport，Scanlan1970年代：英国Severn桥的抗风设计1980年代：日本本州四国连线工程，跨度1991m的明石桥1990年代后：丹麦大海带桥，CFD应用，中国,7,2、风致振动的类型,Flutter 颤振Vortex shedding
3、vibration 涡振（涡激共振）Galloping 驰振Buffeting 抖振Divergence 静力失稳Wake induced vibration 尾流致振,8,(1)Flutter颤振,基本特征：扭转与弯曲复合振动，扭转为主发散的自激振动均匀流场即可发生可能有明显的临界风速点,9,全桥颤振tacoma桥,大幅度扭转振动,10,杆件颤振：拱桥板式钢吊杆的大攻角颤振,连续振动13小时至吊杆的翼板断裂,2006年8月，广东一拱桥在24m/s风速下的振动录像（田仲初摄）,11,(2)Vortex shedding vibration涡激共振,机理：气流绕过柱体时在尾部产生涡，涡脱落时产生
4、对柱体的作用力，涡脱频率与柱体自振频率接近时发生共振特点：有风速锁定区间；限幅；均匀流中发生；弯曲或扭转,钢桥涡振实例日本东京湾桥,10跨连续刚构桥，主跨240米，单箱钢梁，梁高 310米,Trans-Tokyo Bay Bridge,钢桥涡振实例日本东京湾桥,14,拱桥矩形吊杆涡振（日本傍花大桥）,15,(3)Galloping 驰振,细长杆件的大幅弯曲振动自激的发散的振动，最先在结冰输电线上发现可能发生在桥梁的：斜拉索，吊杆，超高塔柱,16,斜拉索风雨振驰振,随着斜拉桥跨度的振动，斜拉桥拉索越来越长，导致拉索越来越柔，结构阻尼越来越小，在风雨的共同作用下，斜拉索极易发生风雨共振现象。,17
5、,(4)Buffeting 抖振,机理：自然风的脉动分量产生一种随机力 从而迫使桥梁产生随机振动有限振幅，但影响疲劳寿命，舒适度和行车安全因振幅小，难见实桥抖振录像双悬臂施工状态的抖振内力可能很大！,18,抖振全桥气弹模型试验,湖南湘西矮寨大桥；湖南大学风洞试验,19,(5)Divergence 静力失稳,机理：风速很大时，风产生的升力和阻力联合作用，使桥梁特别是索支承桥丧失扭转刚度而失稳,同济大学提供,(6)尾流干扰,机理：气流依次流过前后两个柱体（串 列）而产生的相互干扰作用效应：降低颤振临界风速；产生涡振和驰振,21,尾流干扰实例1:赛车,22,即使是混凝土桥梁，尾流干扰也可使下游桥梁发
6、生涡激振动，但风速较高，海上桥梁有可能发生,全桥气弹模型风洞试验,23,风荷载与风致响应的分类,24,3、桥梁风致振动的基本理论与抗风设计方法,25,研究内容与特点,桥梁抗风研究在桥址处各种可能的风场条件下，桥梁结构的静力效应与动力响应，为新建桥梁的设计、施工提供解决方案。大跨柔性桥梁如悬索桥和斜拉桥，刚性桥梁中的柔性构件，如拱桥的吊杆等，都必须进行桥梁抗风的研究。桥梁结构风致效应属于流体与固体相互作用的范畴。因此风效应研究自然包括三个要素：风环境、风荷载与结构响应。风致振动是研究的重点和难点。汽车：风阻系数建筑：风荷载，风致振动（舒适性）桥梁：大跨度桥梁的高跨比很小，钢阻尼也小，极易振动高跨
7、比：苏通桥 3.5/1088=1/310.8;西堠门桥 3.51/1650=1/470,26,基本思路：本质上是一个流固耦合问题，简化为风荷载的确定及其相应的结构效应问题。这里的风荷载，包括静力的和动力的，动力荷载包括强迫的和自激的。基本方法：理论分析，风洞试验，CFD 往往需要多种方法的综合应用与相互校核重要假定：条带假定：等截面直梁的单位长度受到的风荷载处处相等主要对策微调结构外形，增加刚度，减振措施（阻尼器，TMD）,27,近地风特性风环境,在一定高度下，平均风速随高度增加而增加，紊流度减少四类场地：A,B,C,D 按地表粗糙度划分基本风速：B类，10m高，10min平均，百年一遇，桥面
8、高度Z的设计风速 指数 对A,B,C,D四类风场分别为0.12,0.16,0.22,0.30 脉动风特性紊流度，积分尺度，功率谱密度(规范p46),28,结构动力特性分析,结构主要模态的频率和阻尼比对抗风性能影响很大基频估计（规范p15）斜拉桥 竖弯 扭转，C查表 悬索桥 中跨简支竖弯阻尼比，规范钢桥0.005 可能偏于不安全有限元动力分析 一定要用三维有限元模型,29,三分力,三分力风荷载的三个分量（二维理论）阻力，升力和升力矩：是截面上分布压力的合力与截面形状有关，与风攻角有关，与自身振动有关静力三分力，准定常三分力，非定常三分力 有体轴和风轴两种坐标系,风荷载在体轴坐标系下的三分力,30
9、,静力三分力系数及其影响因素,无量纲的静力三分力系数，用来描述具有同样形状截面的静力风荷载的共同特征。利用三分力系数，体轴坐标系下，静力风荷载可以表示为：阻力 升力扭矩系数，CH，CV，CM静三分力系数随攻角变化,31,(1)驰振理论,当气流经过一个在垂直气流方向上处于微振动状态的细长物体时，即使气流是攻角与风速都不变的定常流，物体与气流之间的相对攻角也在不停的随时间变化。由气动三分力曲线可以看出，相对攻角的变化必然导致三分力的变化，三分力的这一变化部分形成了动力荷载，即气动自激力。由于按相对攻角变化建立的气动自激力理论，忽略了物体周围非定常流场的存在，仍将气流看作是定常的，因此这种理论称为准
10、定常理论（Quasi-Steady Theory）,相应的气动力称为准定常力。,32,驰振方程驰振稳定性判据,弯曲驰振方程为移项后速度前的系数表示系统的净阻尼，用d表示有当时才会出现不稳定现象。因此上式左端又称为驰振力系数。又因为一般情况下阻力系数总是正的，因此只有当升力系数关于攻角的斜率为负才可能出现不稳定的驰振现象，令d=0 得到驰振临界风速计算公式。,33,杆件可能发生驰振的截面举例,驰振临界风速验算公式,34,可能发生驰振的截面举例,35,与驰振相关的抗风设计方法,测定截面的三分力随攻角变化的曲线，如升力曲线没有下降段，无驰振问题；计算驰振系数和相应的驰振临界风速，应满足条件：Cg大于
11、1.2倍设计风速如不满足，考虑修改截面形状，如矩形柱可作切角处理成稳定的八边形截面；安装TMD以提高等效阻尼比等等,36,(2)颤振理论,自激力是非定常的，一般只需考虑升力和升力矩自激力的Scanlan表达式,式中，Hi和Ai，i=1.2.3.4 称为颤振导数或气动导数，它们与截面形状有关，且假定为无量纲频率K=wB/U的函数，目前主要利用节段模型风洞试验数据经理论分析后识别，有自由振动法和强迫振动法。,37,典型截面的颤振导数,试验了四种断面的节段模型；对每一种断面，分别进行单自由度，两自由度，三自由度试验；对试验信号，分别用频域法，时域法识别颤振导数,38,模型 PB,模型 HM,模型 A
12、Z,模型 DT,39,平板断面气动导数,平板（PB）模型扭转气动导数,40,平板（PB）模型竖向气动导数,41,单自由度扭转颤振,对于钝体截面，如边主梁，H型吊杆，可发生单自由度扭转颤振，此时h0，由两自由度颤振方程可得：移项得当A2大于零后，总阻尼可小于零，振动发散！,42,简化的二自由度颤振分析理论,利用振型分解，将桥梁振动简化为一对扭转与弯曲模态振动的气动耦合振动,将识别的气动导数代人方程，应用各种搜索方法求阻尼为零的风速解，即是颤振临界风速即使是很流线型的断面，也会发生颤振，只是颤振临界风速有高低之分,43,三维颤振分析方法,特点：可以考虑全桥多模态和边界条件的影响，提高分析精度，对斜
13、拉桥更为重要基本方法 多模态法，物理坐标（全模态）法，时程法基本假定：1）条带假定：主梁为直线梁，沿跨度方向气动性能一致；2）风垂直作用于主梁；3）忽略塔、缆索的气动效应。多模态的M-S法 陈政清1992年提出了一种多模态参与单参数M-S搜索法，直接对无量纲风速一个参数进行搜索，故称为M-S法 应用于我国虎门桥、江阴桥等多座大桥颤振分析，均能与全桥模型试验基本吻合。2000年，陈政清与华旭刚实现了无量纲风速范围内多个可能颤振形态的全域自动搜索，全部计算过程已在作者开发的大跨桥梁空间非线性静、动力分析程序NACS的Windows版本中实现。,44,矮寨大桥节段模型风洞试验,也可按弯曲与扭转频率相
14、似原则，用节段模型弹性悬挂的风洞试验直接测量颤振临界风速，主要适用于悬索桥。,45,重要桥梁应作全桥气弹模型试验验证,46,与颤振相关的抗风设计方法,设防标准是发生颤振的临界风速小于按规范计算的检验风速（规范p22）随跨度变化在1.19到1.49之间 提高颤振临界风速的办法：主梁加装风嘴，稳定板，导流板，其他构件（如吊杆）可考虑改变形状，附加约,47,(3)涡振理论,从涡激共振的表现形式来看，它是一种带有自激性质的单模态强迫振动。主要有五个方面的特征：限幅性：较低风速下发生，有限振幅振动；锁定性：在某一风速区间内发生；最大振幅对阻尼有很大的依赖性；涡激响应对断面形状的微小变化很敏感；涡激振动可
15、以激起弯曲振动，也可以激起扭转振动。,48,(3)涡振理论,基本原理与分析理论 1898年，Strouhal通过实验发现当流体绕过圆柱体后，在尾流中将出现交替脱落的漩涡，并且漩涡脱落频率、风速及圆柱体直径之间存在以下关系，现称为斯托罗哈（Strouhal）数：1911年发现 Karman涡街,49,(3)涡振理论,基本原理与分析理论（续）其它的钝体如方形、矩形或各种桥面都有类似的漩涡脱落现象。均匀流作用时，截面背后的周期性漩涡脱落将产生周期变化的作用力涡激力。且其涡激频率为：当被绕流的物体是一个振动体系时，周期性的涡激力将引起结构的涡激振动(Vortex-induced Vibration)，
16、并且在漩涡脱落频率与结构的自振频率一致时将发生涡激共振。,50,(3)涡振理论,基本原理与分析理论（续）节段模型风洞试验可以发现涡激共振的风速区间，测定Strouhal数和振幅，但有些问题待深入研究，如雷诺数的影响，涡振振幅的换算，多阶模态涡振的相互关系涡振的分析理论很难描述限幅性和锁定现象，现有的理论有：Scruton提出的升力振子模型 Simiu与Scanlan于1986年提出经验线性模型 Ehsan与Scanlan于1990年提出了经验非线性模型,51,抗风设计的基本原则是涡振振幅小于规范容许振幅，振幅主要由风洞试验预测，桁梁桥一般可满足要求。大比例节段模型试验以尽量减小Re数的影响容易
17、诱发涡振的桥型：钢箱梁桥，钢混结合边主梁桥构件：检修轨道，分离双箱主梁改进方法-截面气动优化 风嘴，导流板，稳定板，水平翼板，调整检修轨道位置事后措施：TMD减振，有人研究主动控制,与涡振相关的抗风设计方法,52,Longs-creek桥制涡措施对比试验,4种措施，加底板、底板+1.8m风嘴、底板+2.4m风嘴、底板+3.0m风嘴。,53,丹麦大海带东桥抗涡振增加导流板设计,54,(4)抖振理论,基本原理与分析理论 桥梁的抖振是指在紊流场作用下的随机振动。通常所说的桥梁抖振分析理论主要是针对大气紊流引起的抖振，包含顺风向与横风向振动。桥梁结构在随机风荷载作用下的响应计算可分为频域法和时域法两大
18、类。频域方法采用付立叶变换技术，通过激励的统计特性来确定结构响应的统计特性如均值与方差等，这是一个标准的随机振动分析方法，在结构是线性以及激励是平稳随机过程的假设前提下，通过频域的方法建立结构输入与输出的响应关系具有简单高效的优点；时域方法是通过模拟随机荷载的统计特性，将激励转化为时间系列，通过动力有限元的方法确定结构的响应,55,基本原理与分析理论（续）,抖振分析的基本要素自然紊流风场的模拟生成，风谱；气动导纳：脉动风到抖振力的转递函数抖振力的计算结构动力响应目前的问题：计算与实测的一致性？实测数据很少；气动导纳函数的精确性？抖振的风洞试验方法模拟自然风场，全桥气弹模型试验，施工状态的抖振内
19、力（如斜拉桥大悬臂状态）目前我国规范对抖振无明确规定，设计检算抖振内力的叠加，成桥状态应考虑疲劳和舒适度问题,56,(5)风致静力失稳理论,静力风荷载的变形依赖性 给定风速U的情况下，结构承受初始风荷载，在风荷载作用下桥梁结构会产生变形，由于静力三分力系数是结构变形（扭转角）的函数，因此变形增量会反馈影响风荷载从而增加一个外荷载增量。如果变形导致刚度降低，将失稳发散机理 紊流导致的抖振会降低静风失稳临界风速，重要桥梁应作静风与颤振抖振的耦合分析,57,二维静风失稳模型,扭转发散临界风速为：,三维静风失稳分析：考虑 刚度随变形变化，按非线性理论和静动力荷载联合作用进行分析,58,防止静风失稳的抗
20、风设计方法,计算或气弹模型试验确定静风失稳临界风速，规范要求它大于两倍设计风速；目前已建桥梁都是有颤振临界风速控制，即静风失稳风速高于颤振临界风速超大跨度桥梁的静风失稳风速有可能控制设计升力系数为负的主梁对增强索支承桥静风稳定性有利,59,4、桥梁抗风工程实例,60,主要依据湖南大学的风工程研究成果,国家自然科学基金多项课题资助,重大工程建设项目委托课题提炼,61,湖南大学风工程试验研究中心,国内最早开展风工程研究的高校之一 2002年组建风工程试验研究中心 2004年10月新的大型风洞投入使用,62,63,三自由度强迫振动装置，可同时识别18个颤振导数,实际装置（重8吨，造价100万）,64
21、,运动控制参数：运动自由度：竖向、侧向、扭转振动频率：0.13Hz；振动幅值：竖向420mm，侧向420mm，扭转15度分级可调；振动类型：无理论运动误差的正弦函数；主要特点：完全数控的系统（三个伺服电机）；利用机械的正弦机构驱动模型做无理论误差的简谐运动；实现了位移信号的测量（由光电编码器反馈脉冲信号测量）识别方法开发了专用识别程序与软件，可按时域法和频域法由振动信号识别18个颤振导数；,三自由度强迫振动装置与识别方法,65,桥梁、建筑、核电站冷却塔、输电线塔、移动天线、风力发电机汽车,已开展的研究领域,66,2011年开始，HD-2 风洞在原洞体上方扩建一个8.5m宽，2m高，15m长的新
22、试验段，2012年5月投入运行,67,矮寨大桥气弹模型风洞试验,68,1、加装稳定板的桥梁,明石海峡桥（跨度1991m的悬索桥）桁架加劲梁加稳定板提高了颤振临界风速英国第二Severn桥，采用上下稳定板方案解决了涡振问题湖南大学研究了稳定板的作用机理，应用它解决了湖南矮寨大桥，海南清澜大桥，海南洋浦大桥的颤振和涡振问题,背鳍是鱼的稳定板,69,Severn二桥下稳定板,70,2、矮寨大桥的抗风研究,71,矮寨大桥桥址处风环境的地形模型风洞试验,用三种研究手段确定了矮寨大桥的设计风速,72,桥址处80平方公里范围的流场模拟,73,矮寨大桥峡谷高空风环境悬索吊挂式观测系统,采用悬索安装风速仪的观测
23、系统，直接观测到330m桥面高度的风速资料,主钢丝绳锚固,74,桥址处安装的风环境现场观测系统,架设的悬索及跨中风速仪,四分点及茶洞岸风速仪,主钢丝绳滑轮悬挂装置,75,节段模型测振试验优化加劲梁气动特性,76,中央分隔带方案抗风气动措施试验成果,77,风洞试验表明原设计方案不满足抗风要求，经大量试验研究，最终采用的气动措施是设置高1m的上，下稳定版，实桥的观光通道也起到水平稳定板作用，上稳定板设置在分隔带内，几乎不增加风荷载下稳定板高一米，结构上容易实现，很受设计方欢迎,78,桥面分隔带内的上稳定板,79,桥面下桁架内的上稳定板象一根纵梁,80,桁架下底面设置两条观光通道，有水平稳定板作用,
24、81,5、全桥气弹模型风洞试验,82,西南交通大学和湖南路桥公司为矮寨大桥加劲梁安装开发了新的施工工法，以适应该处不宜采用传统的吊装工法的要求,83,清澜大桥抗风研究,工程概况 清澜大桥位于海南省文昌市清澜港，是一跨海湾的大跨度桥梁，其主桥采用双塔三跨斜拉桥，主跨跨跨径布置为124m+300m+124m，如图2-1所示。主梁采用钢-混结合梁形式，由左右两钢箱梁、钢横梁以及混凝土桥面板组成，梁宽34m，梁高2.96m,湖南大学风工程试验研究中心,84,主梁断面,湖南大学风工程试验研究中心,85,气动措施推荐方案,采用3 道下稳定板和中央分隔带栏杆改为不透风栏杆在竖弯阻尼比1.06%，扭转阻尼比0
25、.96%时，针对没有加高人行道的主梁试验测试结果满足要求，从而作为该桥的成桥状态气动措施推荐方案。,86,3.H型截面吊杆风振特性与减振措施,87,2006年8月，我国某即将完工的拱桥H型吊杆受台风袭击，发生严重的扭转振动。类似事故国外6070年代就多次发生，表明我国风工程知识普及不够，规范也有待完善。,我国一援外桥梁也有同样病害,88,研究现状及存在问题,没有注意到直立杆件大攻角这一根本特点，仍沿用适用水平杆件的一套惯常做法。风攻角是影响结构空气动力学性能的一个重要参数水平放置的构件的最大攻角一般情况下低于5度。对于直立的杆件，气流的风向角正好是直立杆件的风攻角，可能的风攻角范围是0度至36
26、0度。,89,试验参数及工况,三参数：高宽比：1/2.4，1/1.6，1/1和1/0.75 腹板开孔率：0，14，27，38翼板开孔率：0，11，20.1，28.6 竖弯阻尼比0.15以内，扭转阻尼比0.1左右。,按正交试验法制作了16个模型,90,节段模型试验,气弹模型试验,91,颤振导数A2*曲线 证明1525度区间为颤振失稳区间,应用强迫振动法识别大攻角气流下的颤振导数,92,开孔率27，20度风偏角的位移时程,节段模型扭转颤振,93,与实桥振动现象一致,气弹模型颤振,94,用试验和理论分析多种手段证实了直立构件存在大攻角颤振的可能性，这是国内外以前的研究从未注意到的问题,95,腹板开孔
27、率越大，抗驰振性能越好。,H型吊杆驰振性能研究,下降段,96,开孔率27的涡激共振扭转角均方差,腹板开孔不能改善H型吊杆抗涡激共振的性能,涡振区间,97,腹板开孔并不能改善H形吊杆抗颤振和涡振的性能，只是提高了抗驰振性能。,结论,证实了H型吊杆有大攻角颤振的危险性；,提出了一套吊杆抗风设计原则与计算公式,98,依据东平大桥风振实际情况，提出了加设水平抗风索的永久减振措施,99,水平抗风索永久减振措施用水平抗风索连接长吊杆和主拱圈,东平大桥吊杆抗风索布置设计方案,100,抗风索效果的气弹模型风洞试验对比,无抗风索,有抗风索,应用动力有限元分析优化后，仅用一道水平抗风索，施加合适的预应力，就可以大
28、幅度提高吊杆抗风性能两倍以上。经气弹模型风洞试验验证后，东平桥立即安装了水平抗风索。,101,水平抗风索与吊杆和拱的连接,安装了水平抗风索的东平大桥全景,抗风索,抗风索,拱上锚固点,五年来，抗风索方法完全抑制了东平大桥吊杆风振，并已推广至泸州合江长江一桥,102,英文论文在美国ASCE的Journal of Bridge Engineering发表，三位匿名评阅人给予了很高评价：第一评阅人认为：此文代表了在认识桥梁H型吊杆气动弹性行为方面的新进展。The paper represents an advancement toward understanding the aeroelastic b
29、ehavior of H-shaped bridge hangers.第二评阅人指出：论文也讨论了以前研究未能发现吊杆在大攻角气流中颤振失稳的原因。研究工作是原创性的和高质量的。the reasons why flutter instability of H-shaped hangers under large attack angles was not observed in previous studies have been discussed.The work is original,in good quality第三评阅人强调：本文对于桥梁结构抗风设计很有价值。很多桥梁设计者将会认真
30、阅读此文，极大地重视这一问题。This paper is valuable for wind resistant design of bridge structures,many bridge designers would pay a lot of attention in advance the bridge design by reading this revised“paper,国际同行专家评价,103,4、大跨度钢箱梁悬索桥的多阶模态涡激共振问题研究,104,悬索桥的涡振特点,大跨度悬索桥模态密集，0.6Hz以下可能有多阶模态存在，西堠门桥前十阶模态频率在0.079到0.374之间。
31、已发现有跨度在1500m以上的钢箱梁悬索桥有多阶竖向模态涡激共振现象1,2，发振模态的频率范围在0.2到0.4Hz左右，属第七，第九模态。表1.西堠门大桥前十阶弯曲模态的涡振振幅及容许值,为何要重视悬索桥高阶模态涡振问题,105,为何要重视悬索桥高阶模态涡振问题,106,为何要重视悬索桥高阶模态涡振问题,若St=0.15，则频率小于0.2Hz的低阶模态起振风速低于6m/s。由于低速风的紊流度相对要大，不易发生涡振；而频率在0.2至0.4Hz的模态起振风速在6至12m/s之间，每年出现的频度高，在平坦地带也容易满足低紊流度条件，因此最常发生涡激共振现象。涡振振幅容许值实际是由行人车辆所能承受的加
32、速度限值换算的，它随模态频率升高而降低，这意味着高阶模态的振幅限值更为严格，必须给以更多关注。,107,目前采用的预测多阶模态涡振振幅的方法,108,按上述理论预测的西堠门大桥竖向前十阶涡振振幅，规范容许振幅和实测振幅,109,对这一方法的反思,110,二维流场研究节段模型风洞试验,111,不同悬挂频率的矩形节段模型风洞试验,作为基础研究，将钢箱梁简化为一根矩形截面的长条。首先研究它的涡振性能。矩形截面的宽高比取为6，制作了高12cm，宽72cm，长154cm节段模型，在湖南大学HD-2风洞的3m(W)2.5m(H)17m(L)试验段中进行了5组不同悬挂频率下的涡激振动试验。,112,不同悬挂
33、频率的矩形节段模型风洞试验,五组试验的研究思路同一模型，外形不变保持质量不变，阻尼不变（0.25%），相当于Sc数不变仅悬挂频率由低到高变化检验两个假定（1）外形不变则St数不变（2）如果St、Sc不变，振幅也不变,表2 长宽比6:1的矩形模型风洞试验基本参数,113,竖向涡振无量纲振幅（1000y/D）随频率的变化,竖向涡振振幅的变化规律:第一区振幅基本不变，第二区振幅在前两个工况中与第一区振幅相当，但在第三个工况中突然增加到很大，而在第四、五工况中又有所减小，说明有其它尚未明确的影响因素存在。,按现行理论假定，各阶模态的振幅应相等,114,扭转涡振振幅有随频率升高而降低的趋势，且第二区振幅
34、约为第一区的两倍，其原因可能是气动阻尼的影响，待研究。,扭转涡振无量纲振幅（1000y/(B/2)）随频率的变化,按现行理论假定，各阶模态的振幅应相等,115,三维流场研究多点弹性支承矩形梁的气弹模型风洞试验,116,新模型的必要性,为了通过风洞试验研究涡激力沿桥跨方向分布的相关性是否与模态振型有关的问题，必须制作一个可以模拟多个模态密集分布的气弹模型。一个完整的悬索桥气弹模型从理论上来说是应该具备这一性质，但实际上因缩尺比太小干扰因素太多而无法做到。拉条模型忽略了塔和缆索系统，制作比较容易。它可以模拟悬索桥的一对竖弯和扭转模态，从而可用于悬索桥抗颤振能力的检验。由于拉条模型的刚度由两条平行的
35、张紧的钢丝提供，它的高阶频率分布按自然数增加，即n阶模态的频率是1阶模态频率的n倍，因此，拉条模型不能模拟悬索桥的多模态密集分布特性。,117,为了避开塔和缆索系统干扰，单纯研究加劲梁的涡激力跨向相关性与高阶模态振型变化之间的关系，本文提出了一种新型气弹模型-多点弹性支承梁的气弹模型；,118,模型刚度由一条薄钢板提供，外形用泡沫塑料板制作。采用激振法测定气弹模型的各阶竖弯模态的频率和振型，与有限元模型比较后可研究板条的剪切刚度对高阶模态的影响。调试好后模型将在HD-2风洞的8.5m(W)2m(H)15m(L)的开口试验段进行均匀流场和紊流场下的涡振试验，直接测定各阶模态振幅与风场及模型结构参
36、数之间的关系。目前模型制作快完成，将用于研究各阶模态的频率，振型变化与气动阻尼，涡激力的关系，最终为正确预测涡振振幅提供依据。,119,我国公路桥梁抗风规范采用与日本规范相同的涡振振幅容许值规定，容许值与模态频率成反比，竖弯模态的涡振振幅容许值为,这里,应是验算模态的频率，随模态不同而不同。显然高阶模态涡振振幅容许值随频率升高迅速减小。就这一规定的理由，本文作者咨询了多位日本学者。日本东京大学Tomomi YAGI教授给出了如下解释。由桥梁的竖向弯曲振动的频率近似公式f=100/L和涡振时桥梁加速度不宜超过100gal（1m/s2）的要求，可得对应的涡振最大容许速度为，取L=160m，再由振幅
37、与速度的关系得到最大容许振幅公式，,高阶模态涡激共振的容许振幅,由于用了小跨度的基频值，公式在频率低于100/160时比直接按加速度计算振幅要更严格。,120,大跨度桥梁高阶模态的阻尼比,结构阻尼比实测问题阻尼比只能在结构建成后实测。环境振动法不能精确测量结构阻尼比现场稳态激振试验才是精确测量大跨度桥梁多阶模态阻尼比的唯一手段。大跨度桥梁的现场稳态激振很难实现，至今只有美、日等国拥有这一技术,图1是韩国永宗桥使用的激振器，每台总重量37吨，共用两台。,121,多多罗桥实测阻尼比,多多罗桥实测阻尼比普遍低于我国规范值0.005，竖向二阶模态阻尼比只有一阶的三分之一。我们在气弹模型制作中也发现，各
38、阶模态阻尼比相等的假定是有待改进的。我国应实测一批大桥的模态阻尼比，为设计提供依据,122,小结,大跨度钢箱梁悬索桥存在多个模态分别在不同风速下发生涡激共振的可能性。矩形断面长条可反映多阶模态涡振的基本特性，适合对各个影响因素的作用进行基础研究。节段模型风洞试验表明St数不随模态频率变化，但影响振幅的因素尚待研究。多点弹性支撑连续梁的新型气弹模型，可以准确模拟更多阶的竖弯模态，从而可用于研究风场相关性对涡振的影响。对频率低于100/160的模态，规范比直接由加速度限值反算容许振幅要更严格我国规范的模态阻尼比的取值可能偏大。我国应尽快开展大跨度桥梁现场稳态激振试验，指导今后超大跨度桥梁的抗风设计
39、。,123,5、电涡流调谐质量阻尼器的开发与矩形吊杆减振应用,124,TMD的理论基础,（一）Frahm（1909）的吸震器原理（可参考：T.T.Song著 结构工程中的被动消能系统）如图1所示。可以证明当小质量的频率 等于激振力 的频率时，大质量保持静止。但两频率相等的条件在实际结构中很难实现或保持,图1、吸振器原理图,（一）调谐质量阻尼器TMD简介,125,（二）有阻尼体系的TMD（Den Hartog理论）,质量比一般为0.01左右最优频率比最优阻尼比,126,TMD的主要构件,1、阻尼器，2、导向系统，3、运动质量块，4、弹簧，5、底座,127,TMD应用范围,无法直接连接阻尼器的场合
40、振动应有较明显的主频率成分，不太适合抗震和拉索减振常用于高层建筑，人行桥，也用于柔性桥梁，拱桥吊杆等,128,伦敦千禧（Millennium）桥全景,129,背景材料：伦敦Millennium 桥的振动,130,安装在桥梁跨中的竖向TMD,千禧桥后来安装了大量TMD和阻尼器，解决了人致振动问题,131,图1 台北101大厦的摆式TMD减振装置,台北101大厦在87-89层安装摆式TMD减振系统，TMD减振系统的摆动周期为7s，质量块为由41层12.5cm厚的钢板组成的球体（总重达660吨），质量块下共设置了7个斜向支撑的大型油压粘滞阻尼器，结果表明安装减振装置后加速度响应减小40%，,132,
41、开发电涡流阻尼调谐质量阻尼器（TMD）,目前已有TMD产品的主要问题是阻尼构件易损耗、后期调节难、需要较多的维护等，应用于桥梁困难较大，桥梁用TMD安装后维护难度大于建筑结构，桥梁TMD所有构件的疲劳寿命应在1000万次以上电涡流TMD可以提供一个理想的解决方案,为什么？,133,电涡流阻尼原理与优点,由永磁铁和铜板构成，是目前唯一一种不依靠摩擦力产生阻尼的装置当TMD工作时铜板切割永磁体的磁力线，马上产生一个阻碍两者相对运动的力并在铜板内产生电涡流，电涡流立即在铜板内发热耗散能量。由于这一过程，结构振动机械能最终转换为热能消耗掉。,优点：彻底解决疲劳和维护问题。因为它无工作流体，无需密封，不
42、会出现漏液问题；无接触无磨耗，不存在摩擦阻尼；材料耐久性高。理想的线性粘滞阻尼特性；阻尼系数由铜板与磁钢之间的距离调节；无附加刚度；永磁体同时也是运动质量的一部分，不增加无效质量,134,已开发的2种电涡流TMD阻尼器样品,国家发明专利授权证书：201010022003.7,电涡流阻尼水平减振调谐质量阻尼器（TMD）2011年获得国家发明专利，,大质量TMD用于桥梁，输电塔等,小质量TMD用于吊杆,拱桥矩形吊杆的涡振现象,日本某桥矩形吊杆涡振实况,136,榕江大桥工程概况,全桥孔跨布置：(110+2220+110)m,跨径布置示意图（半桥）,钢桁柔性拱桥：钢梁全长662m 边跨与中跨之比为0.
43、5 梁端距支座中心1.0m,矩形吊杆,137,悬臂梁立式永磁电涡流TMD,厦深铁路榕江特大桥,厦深铁路榕江特大桥吊杆实施减振方案,减振实施方案风洞试验表明，最长的五种36根吊杆在设计风速下可能发生大幅度涡振，需要安装TMD减振；每根吊杆安装4个悬臂梁立式永磁电涡流TMD，分别控制顺桥向和横桥向振动，2012年五月开始安装。,138,输电塔应用电涡流TMD减振现场试验,国家电网中国电科院特高压线路杆塔试验基地,实现了预期减振目标；验证了TMD的减振效果。,139,6.拉索风雨振观测与磁流变阻尼器振动控制技术,140,6.1、风雨振机理研究,建立了一个风雨振长期现场观测系统,研究内容分为风雨振机理
44、研究和振动控制研究两个部分,现场试验系统布置图,141,142,驰振振动由某一阶模态控制振动模态为14阶存在主模态转移现象拉索的振动轨迹是一个斜置的椭圆,振动位移轨迹,风雨振振动形态主要特征,143,降雨是拉索发生大幅度风雨激振的必要条件小到中雨都可能发生风雨振,风雨振与雨量的关系,144,6m/s,风雨振与风速的关系,145,风雨振时风与斜拉索的相对偏航角为10o-50o振幅对风向十分敏感,10 50,风雨振与风向的关系,146,风雨振与风场紊流度的关系,147,少部分响应表现为单模态振动，而大部分响应则表现为多模态参与的振动。,拉索风雨振的主振模态包括第一至第四阶固有模态，振动频率主要在4
45、Hz以内；,风雨振动主振模态及模态参与特性,148,激振法测定减振效果和最优控制调试（开发了专门的激励装置）,实测风雨振环境下减振效果,现场实验系统布置图,6.2 磁流变阻尼器减振方法现场试验研究,149,激振器开始激振（图为试验用磁流变减振器，定型的减振器见下文）,150,无阻尼器,阻尼器电压0.5V,实测减振效果,模态阻尼比与电压关系,有阻尼器,无阻尼器,151,拉索磁流变减振系统减少振幅为原来的1/30，减振效率达到97%。,风雨振环境下的实际减振效果,152,可靠耐用美观,153,洞庭湖大桥拉索减振系统被评论为世界上最先应用磁流变阻尼器减振实际桥梁工程,美国土木工程师协会杂志Civil
46、 Engineering Magazine，2003，第1期，P40,日本的一个博物馆和中国的一座斜拉桥是最先应用磁流变减振系统的两个土木工程结构,MR磁流变阻尼器也应用于中国一座斜拉桥抑制风雨引起的拉索振动。位于中国湖南的洞庭湖大桥在强风雨下振幅达到1米，由一种MR阻尼器构成的减振系统于2002年4月安装在该桥不同长度的成百根拉索上。,154,2003年，发明了一种适合桥梁环境的永磁调节式磁流变阻尼器,发明专利号：ZL200500311108.8,永磁调节式磁流变阻尼器,特 点：不需电源，可靠性高，适用范围广,拉索减振单元,6.3 永磁调节式磁流变阻尼器开发及工程应用,155,永磁调节式磁流
47、变阻尼器应用于洪山大桥(其中最长索为289m),156,永磁调节式磁流变阻尼器减振效果,2006年4月12日，湖北、湖南大风大雨，最大瞬时风速超过35m/s，洪山大桥减振系统效果良好。,157,同一天，离长沙150公里处某桥阻尼器被风雨振损坏,粘滞体液化流出,拉索保护层损坏,索夹被振掉,临时加钢丝绳减振,158,目前，永磁式磁流变阻尼器交给OVM公司在国内推广，如北京上地斜拉桥，全部拉索安装了永磁式磁流变阻尼器。,159,与国外拉索减振技术的比较,160,7、斜拉索参数振动研究,161,实桥斜拉索参数振动可能性研究,鄂东长江公路大桥位于湖北省黄石长江水道上游，该桥主跨为926米的钢-混凝土混合
48、梁。大桥采用密索体系，最长拉索接近500m，拉索固有频率分布广，容易满足拉索参数共振的条件，从而激起拉索大幅振动。,162,参数振动的试验研究,1cm偏心轮激励,2cm偏心轮激励,在满足频率比的前提下，振幅与激励的大小有关，,163,Searss 函数由理想平板导出，只考虑风的竖向脉动分量 一般钝体的气动导纳函数可用风洞试验方法经分析得到湖南大学（陈政清，韩艳等）开发了一种气动导纳的分频率识别方法 和相应的主动格栅装置,8、气动导纳的分频率识别方法,抖振力研究,164,主动格栅装置,165,与Sears函数的比较,Amplitudes,Phases,(i)阻力的气动导纳与sears函数完全不同
49、,166,9、尾流干扰问题,双幅桥面桥梁由于主梁距离较近，在气流作用下，上游桥面与下游桥面之间存在“气动干扰效应”，双幅桥之间的气动干扰是大跨度双幅桥面桥梁抗风设计中应予关注的问题。,（一）双主梁（缆）桥的气动干扰,168,大跨高墩刚构桥的气动干扰,山店江大桥，双幅桥主跨200m，墩高180m，两幅桥面净距24m，高风速下尾流使下游桥梁振动。,研究背景,平胜大桥共用桥塔，但两主梁完全分离,平胜桥模型,颤振临界风速随距离的增加而提高,对应平胜桥实桥状态，气动干扰使颤振临界风速降低40,气动干扰对双幅桥临界风速和颤振导数的影响（基于平胜桥模型）,171,佛山平胜大桥为世界最大的独塔自锚式悬索桥，有4个主缆索面，且中间两主缆相距只有5.5m，存在气动干扰问题,工程背景,172,某桥亮化工程原设计方案：沿拉索每隔一米左右安装抱箍灯，两边用9mm钢丝绳固定，钢丝绳与拉索前后平行。,截面图,尾流干扰实例2:拉索驰振,173,尾流干扰实例2:拉索驰振,据风洞试验修改了设计方案，避免了损失,174,北京市最高立交桥，位于京新高速公路（五环路-六环路段。桥长3公里，主塔高99米，上有斜拉索88根，其中最长索222米，最大索重27吨。上地立交桥连续跨越国铁京包线、城铁十三号线、规划京张城际铁路和两处地方道路。,北京上地铁路立交桥拉索照明方案依据风洞试验结果修改了设计。,
