风工程多媒体(十)课件

风工程风工程(十十)风工程-104 桥梁空气动力学 1940年美国Tacoma悬索桥的风毁事故后，许多世界著名的力学大师如Von Karman，Fr.Bleich等就开始应用航空空气动力学的研究成果和方法来分析事故原因。证明了该桥风毁的原因是桥梁发生了风致颤振。后来的研究证明了大跨度柔性桥梁，同飞机机翼一样存在着颤振、抖振、涡振、驰振等多种振动形式。从此，风对桥梁等结构的动力作用被自觉的加以研究，航空空气动力学的成果与研究方法被应用和改造以适应桥梁等结构的抗风研究，并逐步形成了一门新的学科-桥梁空气动力学（桥梁风工程）。Tacoma悬索桥的风毁事故资料照片风对桥梁作用风对桥梁作用分类现象作用机制静力作用静风载引起的内力和变形平均风的静风压产生的阻力、升力和力矩作用静力不稳定扭转发散静（扭转）力矩作用横向屈曲静阻力作用动力作用抖振限幅振动湍流风作用自激振动 涡振旋涡脱落引起的涡激力作用驰振单自由度发散振动自激力的气动负阻尼效应阻尼驱动扭转颤振耦合颤振二自由度自激力的气动刚度驱动桥梁风工程研究内容 桥梁风工程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，为新建桥梁的的设计、施工提供解决方案。主要研究大跨度桥梁的气动弹性问题，包括桥梁气动弹性静力问题（扭转发散）和桥梁气动弹性动力问题（颤振和抖振）。为了研究桥梁的气动弹性问题，还必须研究桥梁主梁等构件的定常空气动力特性和非定常空气动力特性。4.1 桥梁的定常空气动力特性yxFLFVMZFDFHo风a条带假定：假定桥梁足够长而且是平直的，于是任一桥梁断面的风荷载就可以代表其他断面的风荷载。条带假定使我们可以用二维流场理论研究桥梁风荷载问题。风轴系体轴系三分力系数 桥梁主梁断面三分力系数与断面形状、风向以及雷诺数有关。桥梁主梁的断面主要有板梁、桁梁和箱梁等三种类型(图4-4)。板梁的气动力特性最差,当H型断面的高宽比增大到一定值时，在零度迎角附近，升力曲线和力矩曲线的斜率都是负值。箱式主梁断面的空气动力特性明显优于板梁特别是带有腹板的箱梁和带有导流板的流线型截面的空气动力特性更佳。断面形状对桥梁空气动力特性的影响断面形状对桥梁空气动力特性的影响静力风荷载是大跨度桥梁的控制设计荷载，因此在设计阶段，要求精细预测桥梁各组成部分的风荷载。三分力系数的测定三分力系数的测定测量方法：制作一定缩尺比的节段模型，通过风洞试验测定静三分力系数，然后计算出实桥的静风载。4.2 扭转发散KaaV令扭转弹簧刚度为Ka，扭转角为a，平均风速为V，桥面宽为B，则单位长度的气动力矩为：B扭转发散 临界风速4.3 颤振桥梁颤振是一种在一定风速下发生的桥梁动力失稳现象。颤振是由气流和结构相互作用产生的自激力引起的。结构通过气流的反馈作用不断从气流中吸收能量，当该能量大于结构自身阻尼所能消耗的能量时，就会导致结构的发散性自激振动(颤振)，从而对结构产生破坏。桥梁颤振涉及系统的弹性力、惯性力，阻尼力和自激空气动力的综合作用，是十分复杂的空气动力失稳问题，其重点是对自激力的研究。桥梁颤振研究主要研究颤振失稳机理和颤振临界条件。单自由度驰振模型yFyDBCKVVrLFx临界风速驰振必要条件临界风速总阻尼气动阻尼总阻尼C=0单自由度颤振（扭转颤振）以扭转模态为主的颤振，常发生于钝体桥梁断面，如槽型、工字型断面。发生原因与流动分离和旋涡脱落再附有直接关系，随风速增加，气动阻尼由正变负，负气动阻尼超过结构阻尼后,结构将从气流中吸收能量产生颤振。颤振频率接近结构扭转固有频率。颤振分类弯扭耦合颤振（经典颤振）竖弯模态和扭转模态相互耦合的弯扭耦合颤振，常发于扁平流线型桥梁断面。发生原因是由于气流影响了不同自由度运动之间的振幅比及相位的关系，使结构从气流中吸收能量。当吸收的能量超过结构阻尼耗散的能量时，结构便出现发散颤振。1 Scanlan桥梁颤振导数理论运动状态：在平衡状态（0，0，0，0）台劳展开：Scanlan公式：颤振导数就是气动自激力对状态向量的一阶偏导数，只要测定了颤振导数，就可依据它计算同一形状断面在任意运动状态中的气动自激力。风攻角的影响由颤振导数体现，即同一断面在不同攻角下的颤振导数是不同的。均与速度有关，具有气动阻尼的性质；均与变位有关，具有气动刚度的意义。颤振导数识别方法颤振导数识别方法 节段模型实验装置模型作单一竖向运动时,运动方程为:设风速U下记录的模型运动位移时程为:代入运动方程:颤振导数识别步骤：按SIN和COS分项整理:(5)(5)让模型作纯扭转运动，用相似的方法，识别出让模型作纯扭转运动，用相似的方法，识别出A A2 2*和和A A3 3*随无量纲风速变化的随无量纲风速变化的曲线。曲线。(6)(6)再让模型在同一频率下作竖向、扭转两自由度耦合振动，再让模型在同一频率下作竖向、扭转两自由度耦合振动，可获得另外可获得另外4 4个颤个颤振导数。振导数。典型断面颤振导数曲线A(薄平板)B(流线形箱梁)C(带边肋主梁)V/nBV/nBV/nBV/nBV/nBV/nBV/nBV/nB2 单自由度扭转颤振临界风速C0,扭转颤振单自由度扭转颤振与弛振类似，也是由负气动阻尼引起的发散扭转振动。3 两自由度耦合颤振由气动导数描述对于单自由体系，气动失稳的机理是负气动阻尼使结构不断从气流中吸收能量所致（弛振和扭转颤振）。对于弯扭两自由度体系。即使所有气动阻尼项为正时也会发生耦合颤振。由气动导数H4和A3描述的风荷载项，分别会增大竖向刚度和减小扭转刚度，当扭转固有频率超过竖向固有频率时,风中的表观频率间距会因结构上动力风荷载而减小。当两种运动的表观频率接近时，便有可能发生颤振。风荷载作用下结构的固有频率风荷载作用下结构的固有频率竖向纯弯曲负的H4*值提高表观刚度，因此也提高结构在风中的自振频率表观刚度自振频率扭转运动正A3*值使表观刚度减小，因此也减小结构在风中的特征频率当扭转固有频率超过竖向固有频率时，风中的表观频率间距会因结构上动力风荷载而减小。当两频率接近时便发生竖向和扭转振动的耦合。耦合颤振机理耦合颤振机理000000000180度相位差45度相位差桥板速度:竖向风力:总功为0总功为正结构受到初始扰动,运动或是衰减，或是发散。当从气流转移到结构上的能量超过结构阻尼耗散的能量时，结构表现出发散颤振特征。当结构吸收的能量等于结构耗散的能量时，结构处于颤振临界状态，此时对应的风速称为颤振临界风速。.颤振方程求解和临界风速的确定颤振方程求解和临界风速的确定颤振方程令代入颤振方程:临界状态：同一频率等幅振动定义一个未知数X=K/Kh，由h0和a0系数矩阵行列式等于0的条件，得到X的一个四次多项式。使其实部和虚部分别为0，分解出两个方程：实部虚部同时满足上述两个实数方程的X即为颤振方程的解。颤振方程求解步骤工程上,通常可通过驰振或扭转颤振取得近似临界值。必要时，可通过求解颤振方程来得到更准确的值。4.4 抖振桥梁的抖振是指在湍流场作用下的随机振动。结构的抖振可以分为三类，结构物自身尾流引起的抖振，其他结构物特征湍流引起的抖振和自然风中的脉动成分引起的抖振。在这三者中，大气中脉动风引起的抖振响应占主要地位，因此通常的桥梁抖振分析理论主要是针对大气湍流引起的抖振。抖振不像颤振那样具有发散的性质，而是一种限幅振动，一般不会引起灾难性的破坏。但是过大的抖振在施工期间可能危及施工人员和机械的安全，在成桥运营期间则会影响车辆和行人的舒适度，缩短部分构件的疲劳寿命。因此必须对桥梁的抖振响应进行正确的评估。12扭转颤振（扭转驰振）？桥梁颤振（耦合颤振）？13桥梁抖振？11什么是桥梁的三分力系数？影响三分力系数的因素有那些？什么是桥梁的静稳定性？何谓扭转发散？14如何通过节段模型自由振动试验识别颤振导数？（具体步骤）15求解颤振方程的具体步骤？复习思考题