紊流积分尺度对桥梁抖振响应作用效应分析
段结构单位长度的抖振力可以表示为 Lb ( t ) =
1
:
1 2 u( t ) ! U B 2CL #L u + 2 U ∃( t ) U ( 5a)
1
2 0 a
C a 1a2 ( r) dr
2 a
( 1)
(CL + CD ) #Lw M b ( t) =
式中: a = u, v, w; r = x, y, z;
1
∃ ( t) U
( 5b)
其中: C u 1u 2 (x )是两个纵向脉动速度 u 1 = u ( x 1, y 1, z 1, t) 和 u2 = u( x 1 + x, y 1, z1, t) 的互协方差函数。 紊流积分尺度在结构风荷载分析中具有不可忽略 的意义 , 积分尺度的大小决定了脉动风对结构的影响 范围。如果积分尺度比结构 的特征尺寸大, 脉动风各 个部位引起的动荷载会叠加 , 相反, 如果积分尺度比结 构的特征尺寸小, 各个部位引起的动荷载可能会相互 抵消。 在实际应用中 , 一般假设紊流中的漩涡是不衰减 地以平均风速向下游传输 , 则脉动风速 u ( x 1, t + ) 可 以定义为 u ( x 1 - x /U, ), 这就是泰勒假设。由于脉动 风均值为零 , 可以用自相 关函数代替协方差函数。因 此 , 式 ( 2) 可以改写为: Lu =
2 * * [ 8, 9]
h * B∀ + KH 2 U U
( 6a)
1 2 2 2 * h ! U (2 B ) K A4 + 2 B
*
K A 3 ∀+ KA 1
h * B∀ + KA 2 U U
( 6b)
U
2 0 u
2 2 抖振频域计算原理 在抖振力和自激力共同作用下 , 具有竖弯和扭转 Ru ( ) d ( 3) 两个自由度桥梁节段模型在空气中的运动方程为 : 2 m ( h + 2% ( 7a) h ∃h h + ∃h h ) = L se + L I ( ∀+ 2% ( 7b) ∀ ∃∀ ∀ + ∃∀ ∀) = M se + M 式中 : m 和 I 分别是模型单位长度的质量和质量惯矩 , h
[ 2] [ 1]
认识的正确性有待验证。 赵林等
[ 3- 5]
针 对桥梁抖振问题 , 采用改 进的互谱
导纳识别方法 , 考虑了多种影响因素的共同作用 , 详细 标定了算法系统和试验测量误差的影响 , 使用测量精 度较高的节段模型高频天平测力方法识别了典型桥梁 节段模型抖振气动力全部导纳函数分量 , 通过节段模 型计算获得的桥梁抖振响应与风洞模型试验得到的响 应较吻合 , 表明适当条件采用有限元数值计算可以获 得桥梁随机抖振变化规律。华旭刚等
基金项目 : 国家自然科学基金重点项目 ( 90715039) ; 自然 科学基金 项目 ( 50978203) 和国家科技支撑计划 ( 2008BAG 07B02) 联合资助。 收稿日期 : 2009 - 11- 05 修改稿收到日期 : 2010- 04- 23 林 男 , 博士 , 副研究员 , 1974年生 第一作者 周玉芬 女 , 硕士生 , 1985年生 通讯作者 赵
系统的频率响应函数矩阵为 : 2 -1 H ( ∃) = ( - ∃ M + i∃C + K )
系统激励 X ( t) 与响应 Y ( t ) 的谱密度函数矩阵之 [ 10] 间的关系 由下式给出: SY Y ( ∃ ) = H ( ∃ ) SXX ( ∃ )H ( ∃) =
* T
( - ∃ M + i∃C + K )
2 Dst = 1 ! U CD ( ∀)B 2
和 ∀是模型的竖向位移和扭转角, L se和 M se是物体运动 与气流相互作用产生的自激升力和力矩 , L 和 M 是抖 振升力和升力矩, 其表达式分别为式 ( 6 ) 和式 ( 5 )。取 Y= [ h 式中 : M =
2
∀] , X ( t ) = [ L M ] , 则由式 ( 7) 可得 : !! ! M Y + C Y + KY = X ( t ) m 0 0 I - ! B ∃∀ H 2 (K )
为 脉动分量 a 的方差 ;
C a1 a2 ( r) 是相距为 r 的两点上的脉动风之间的互协方差 函数, 如: 纵向脉动风速 u 在 x 方向的积分尺度为: x 1 L u = 2 0 C u1 u2 ( x ) dx ( 2)
u
1 2 2 u( t ) ! U B 2CM #M u + 2 U CM #Mw
2 2
-1
SXX ( ∃)
-1
[ ( - ∃ M + i∃C + K )
]
T
( 10 )
第 8期
*
周 玉芬等 : 紊流积分尺度对桥梁抖振响应作用效应分析
T [ 3]
89
其中: H ( ∃ )为 H ( ∃ )的共轭矩阵, H ( ∃) 为 H ( ∃ )的 转置矩阵, SXX ( ∃) 为系统激励的谱密度函数矩阵 : SXX ( ∃ ) = SLL ( ∃ ) SM L ( ∃ ) SLM ( ∃) SMM ( ∃ ) ( 11)
文献 采用实测气动导纳计算桥梁节段模型的抖 振响应, 并与抖振试验的试验结果进行比较, 结论表明 采用适当方法识别导纳函数时 , 可以取得与实测风洞 响应较为一致性的结果。在此基础上 , 我们利用有限 元数值计算进行不同积分尺度下抖振响应的分析。简 化起见, 不考虑导纳函数作用的影响, 暂取为 Sears 函 数, 同时假定模型与原型的气动导纳是相同的。
3 2 *
M st
1 2 = ! U CM ( ∀)B 2
- ! B ∃h A 4 (K )
3
2
*
I ∃∀ - ! B ∃∀A 3 (K ) ( 9)
2
4
*
式中: ! 为空气密度; B 为桥梁节段的参考长度, 一般取 桥面宽度; C L ( ∀) 、 CD ( ∀)和 CM ( ∀) 分别为风轴系中的 静风升力、 阻力和扭矩系数。 抖振力是由脉动风引起的, 按照通常做法, 抖振力 按照 Scan lan 的准定常气动力公式计算, 同时使用 D av enpo rt引入的气动导纳函数进行修正。作用于桥梁节
式中: SLL ( ∃) 和 SMM ( ∃ ) 是抖振升力和扭矩的自谱密度 函数。 Chen 认为抖振力互谱对抖振影响可以忽略 , 所以本文的频域计算结果忽略了抖振力互谱的影响 , 抖振升力和扭矩的自谱密度函数的表达式如下。 SLL ( ∃) = !U B
[ 6]
指出大几何缩
尺比将造成紊流积分尺度相似性的严重偏 离, 因而必 须对风洞试验的结果进行修正 , 同时研究了顺风向紊 流积分尺度对一高耸格构式塔架风振系数 的影响, 并 建议了由紊流积分尺度不相似引起的修正系数。本文 以大跨度桥梁节段模型为研究对象 , 以研究风洞试验 中抖振响应与实际抖振响应的关系 , 以及紊流积分尺 度对大跨度桥梁抖振响应影响为目的 , 选取具有代表 性的桥梁模型进行二维抖振分析。
常在被动发生紊流风洞试验中 , 来流积分尺度 难于有 效模拟 , 紊流 积分尺 度对于 结构风 振响应作 用效应 缺少合 理评价。 针对我国已建成的几座大跨度桥梁 , 利用桥梁二维抖振频域分析方法 , 结合主梁节段模型风洞试验气动力参数识别结果 , 对不同紊流积分尺度下的桥梁抖振响应进行对比分析 , 研究了不同 紊流积分 尺度脉动风 作用下 , 桥梁结构 基频对应 风谱 能量和抖振响应的差别。分析表明 , 通常情况下 , 小比例模型 ( 缩尺比 1 : 400- 1 : 600) 紊流积分 尺度能够较 好的满足 相似 比要求 , 往往使得风洞试验的抖振计算结果更接近真实值。大比 例模型 ( 缩尺比 1: 20- 1 : 40) 的紊流 积分尺 度相似性 严 重偏离 , 需要对风洞试验结果进行修正。 关键词 : 紊流积分尺度 ; 大跨度桥梁 ; 频域分析 ; 抖振响应 中图分类号 : U 441 文献标识码 : A
振 第 29卷第 8 期
动 与
冲
击 V o. l 29 N o. 8 2010
J OU RNAL O F V IBRAT I ON AND SHOCK
紊流积分尺度对桥梁抖振响应作用效应分析周玉源自, 赵摘林, 葛耀君
200092)
( 同济大学 土木工程防灾国家重点实验室 , 上海
要: 紊流积分尺度的大小决定了脉动风对结构的影响范围, 在结构风振响应分析中具有不可忽略的意 义。通
1 紊流积分尺度
通过空间中某一点 ( x 1, y 1, z1 ) 的气流中的速度脉 动可以被认为是由平均风所输运的各种尺度的漩涡在 该点造成的、 按各自不同周期脉动的速度分量的迭加。 大气边界层湍流中的每个漩涡尺度可以看作在那一点 引起了频率 n 的周期脉动, 因此与波相似可以定义涡 旋的波长 = U /n, 其中 U 为平均风速, 这个波长就是 涡旋大小的尺度, 涡旋的尺度及湍流脉动能量在不同 尺度水平上的分布决定了湍流的结构特征。紊流积分 尺度就是脉动风中湍流涡旋平均尺寸的量度。由于漩 涡的三维特性 , 因此对应脉动风速和空间各三个方向, 其中 u、 w、 v 是脉动风速的纵向、 横向和垂直方向, x、 y、 z 是空间的三个方向。一共有 9 个紊流积分尺度: L u、 L u、
受风洞空间的限制, 结构物的风洞试验一般是利 用缩尺模型进行的。风洞试验模型设计以绕模型的流 动和绕原型的流动相似为基础的, 在低速风洞试验中 需要实现的主要是模型和原型之间的几何、 运动和动 力相似。风洞试验的相似性一般通过保持一些无量纲 参数使得原型和模型的一致性得到满足。自然风实际 上包含平均风和脉动风两部分。风洞相似准则中的无 量纲参数是基于平均风速进行模型和原型的相似。脉 动风是由于风的不规则性引起的, 描述风速脉动特性 的参数主要有紊流强度、 紊流积分尺度、 功率谱密度函 数等。被动控制风洞能够对 紊流强度进行模拟, 然而 受风洞自身条件的限制, 紊流积分尺度难于满足模型 与原型的相似比要求。 桥梁抖振分析中 , 理论分析、 风洞试验和工程实测 之间存在一定的误差, 该误差的主要原因来自于空气 动力学中脉动风特性参数的确定和模拟。为了进行桥 梁结构抖振精细化研究, 对脉动风特性参数合理取值 至关重要。 F arell等 对边界层风洞与大气环境进行 了比较 , 指出边界层风洞在平均风剖面、 紊流强度、 紊 流积分尺度等与大气风环境的差别 , 同时 , 对紊流积分 尺度对缩尺模 型风洞试 验结果的 误差进行 了相应分 析。 S i m iu等 研究了风场参数的不确定性对风振响 应结果的影响, 结果表明当紊流积分尺度变化 2 . 4倍 时 , 抖振位移根方差变化达 80 % 。目前 , 在风洞试验中 存在采用大比例模型的趋势 , 通常认为 , 风洞试验不能 模拟来流积分尺度会导致测得的抖振响应偏小, 这一
振动与波动：桥梁的共振效应
振动与波动：桥梁的共振效应桥梁是连接两个地点的重要交通工具，承载着车辆和行人的重量。
在桥梁的设计和使用过程中，振动与波动是一个重要的物理现象，而共振效应则是其中一个关键的问题。
本文将探讨振动与波动对桥梁的影响，以及共振效应在桥梁中的作用。
振动是物体围绕平衡位置周期性运动的现象，而波动则是能量在介质中传播的过程。
在桥梁中，振动和波动常常会受到外部因素的影响，如风力、车辆行驶、地震等。
这些外部因素会引起桥梁产生振动，从而影响桥梁的稳定性和安全性。
共振效应是指当一个物体受到外力作用而振动时，如果外力的频率与物体的固有频率相同或接近，就会引起共振现象。
在桥梁中，如果外部振动频率与桥梁的固有频率相匹配，就会引起共振效应，从而增加桥梁的振幅，甚至导致桥梁的破坏。
为了减少振动和波动对桥梁的影响，工程师们在桥梁设计和施工过程中采取了一系列措施。
首先，在桥梁的设计阶段，工程师会考虑桥梁的结构和材料，以确保桥梁具有足够的刚度和强度来抵抗外部振动的影响。
其次，在桥梁的施工过程中，工程师会采取适当的施工方法和工艺，以减少施工过程中对桥梁结构的影响。
此外，工程师还会在桥梁的维护和管理过程中定期检查桥梁的结构和状态，及时发现并修复可能存在的问题，以确保桥梁的安全性和稳定性。
通过这些措施，可以有效减少振动和波动对桥梁的影响，保障桥梁的正常使用和运行。
总的来说，振动与波动是桥梁设计和使用过程中不可忽视的物理现象，而共振效应则是其中一个重要的问题。
通过合理的设计、施工和维护，可以减少振动和波动对桥梁的影响，确保桥梁的安全性和稳定性。
在未来的桥梁工程中，工程师们将继续努力研究和应用新的技术，以进一步提高桥梁的抗振能力和安全性。
紊流积分尺度实用识别算法及其数值验证
紊流积分尺度实用识别算法及其数值验证王峰峰;赵林;曹曙阳;葛耀君【摘要】对比现有的几种紊流积分尺度算法,针对其在某些来流条件下存在的系统偏差,提出了基于泰勒假定修正的紊流积分尺度识别算法.采用谐波合成法数值化地再现多组基于Von-Karman谱的宽频紊流及窄带单频的风速时程序列,利用该算法对紊流积分尺度进行识别,并将识别结果与预期理论值进行比较,提出基于时间尺度修正系数项的实用紊流积分尺度识别算法并进行了验证,得出对于宽带紊流,时间尺度修正系数适合取为2/3,对于窄带紊流,时间尺度修正系数适合取为6.结果表明:本文方法大大提高了紊流积分尺度的计算精度,具有很好的工程应用价值.%Through the comparison of multiple algorithms of turbulence integral scale, the correctional recognition algorithm based on Taylor assumption was proposed. The harmonic synthesis method was used to generate several broadband time-series based on Von-Karman spectrum and several single-frequency time-series. Through the turbulence integral scale calculation of these signals using the correctional algorithm, the recognition results were compared with the expected theoretical values and the correctness of the algorithm was validated. The correction factor obtained for the broadband turbulence was 2/3, and for the narrowband turbulence was 6. The results show that this method greatly improves the calculation accuracy of the turbulence integral scale, which has a good value in engineering application.【期刊名称】《建筑科学与工程学报》【年(卷),期】2012(029)004【总页数】7页(P67-73)【关键词】紊流积分尺度;泰勒假定;谐波合成法;识别算法【作者】王峰峰;赵林;曹曙阳;葛耀君【作者单位】同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092;同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092;同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092;同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092【正文语种】中文【中图分类】TU279.70 引言自然风实际上包含平均风和脉动风2个部分。
桥梁结构中的随机振动分析与响应
桥梁结构中的随机振动分析与响应随着城市化进程的加快和交通运输的发展，桥梁作为城市中重要的交通结构之一，扮演着至关重要的角色。
然而，桥梁在长期使用过程中面临着各种各样的挑战，其中之一就是随机振动引起的结构疲劳和损伤。
因此，对桥梁结构中的随机振动进行分析与响应研究具有重要意义。
随机振动是指未知源和未知相位的力或位移激励作用下，结构系统所产生的综合响应。
在桥梁工程中，随机振动主要源于交通荷载、风荷载、地震荷载等各种外界因素。
这些外界因素的不确定性和复杂性使得桥梁结构的振动分析更具挑战性。
为了对桥梁结构中的随机振动进行分析，需要使用特定的数学模型和工程方法。
其中，最常用的方法之一是模态分析。
模态分析基于结构的固有振动特性，通过求解结构的固有频率、振型和阻尼比等参数，来揭示结构在不同频率下的响应特性。
对于桥梁结构来说，模态分析能够帮助工程师确定结构的振动模态，并评估结构的动力特性。
通过模态分析，可以得到结构的主要振动模态和固有频率范围，从而为后续的随机振动分析提供基础数据。
随机振动分析不仅要考虑结构的固有振动特性，还要考虑外界荷载的特性。
其中，交通荷载是桥梁结构中最主要的外部激励源。
交通荷载的特点是频率范围广、载荷大小变化较大，并且具有一定的随机性。
因此，对桥梁结构的随机振动响应分析，需要将交通荷载特性考虑在内。
常用的方法是使用车辆荷载模型和荷载谱进行分析。
通过建立合适的车辆荷载模型，结合实际交通流量和车辆类型等参数，可以准确模拟桥梁结构在交通荷载作用下的随机振动响应。
除了交通荷载外，风荷载也是桥梁结构中不可忽视的外界激励源。
在某些地区，强风甚至风暴的影响可能对桥梁结构产生较大的振动作用。
风荷载的随机性和非定常性使得对桥梁结构的风振分析具有较高的难度。
为了应对这个挑战，工程师通常使用风洞试验、数值模拟和现场监测等方法，对桥梁结构在风荷载作用下的振动响应进行评估。
地震荷载是另一个重要的桥梁结构随机振动源。
地震的不可预测性和破坏性使得对桥梁结构的地震响应进行分析至关重要。
大跨桥梁风致抖振时域分析及在ansys中的实现
关键词 : 长跨桥 ;抖振分析 ;时域法 ;有限元法
中图分类号 : U441. 3 ;U448. 27
文献标识码 : A
Time2Domain Analysis of Wind2Induced Buffet on Long2Span Bridges and Implementation of Analysis in ANSYS
线性等各种频域法所不能考虑的因素 ,故日益受到 重视 。在时域里进行抖振分析 ,关键是要求出作用 在桥梁上的气动力时域表达式 ,有了气动力后 ,就可 以用一般有限元的分析方法 ,对桥梁作时程分析 ,求 出抖振响应历程 ,然后对响应历程样本进行统计 ,求 出统计量 ,如位移均方根响应等 。文献[ 1 ]提出一种 准定常气动力模型 ,与传统时域抖振分析方法相比 ,
作用在主梁上单位展长自激力可以表达为工程应用为验证本文方法的正确性分别采用本文所提出的以单元气动刚度矩阵和单元气动阻尼矩阵形式表示的气动力模型和文献提出的准定常气动力模型分别对崖门桥的成桥状态进行风致抖振时域分析并对比了两个气动力模型计算出来的结果崖门大桥为双塔单索面预应力混凝土斜拉桥桥位处为类地表粗糙度类别主桥长668桥面平均高程为52ubcd10写成矩阵的形式可得单元气动阻尼矩静力三分力系数曲线主梁跨中节点横向竖向和扭转个重要自由度的位移响应时程结果见图本文模拟时间取为200但为了清晰起见只给出前40的结果其他时间点的结果与前40的结果类似
(9)
由式 (9) 可知 ,单位展长作用在主梁的气动力由三部
分组成 :静风力 、抖振力和自激力 , 由于静风力和抖
振力在一般参考文献中都有 , 本文不再给出 。作用
在主梁上单位展长自激力可以表达为 :
Fae ( t) = - C0δ· ( t) - K0δ( t)
厦漳跨海大桥的颤振和抖振响应实验研究的开题报告
厦漳跨海大桥的颤振和抖振响应实验研究的开题报告一、研究背景和意义厦漳跨海大桥是福建省首座悬索式跨海大桥，全长95.5公里，是“世纪工程”之一。
由于存在地质条件、建筑高度等因素，大桥结构会受到风、波等力的作用，从而导致颤振和抖振现象。
颤振和抖振是桥梁工程设计中需要考虑的基本问题。
此外，随着大桥的跨越距离和使用寿命的提高，对颤振和抖振问题的研究变得越来越重要，这不仅能提高桥梁的使用寿命，还能确保行车安全。
因此，对厦漳跨海大桥的颤振和抖振响应进行实验研究，对完善大桥的设计，提高大桥结构的稳定性和安全性具有重要的理论和实际意义。
二、研究的目的和内容本研究旨在通过实验研究厦漳跨海大桥的颤振和抖振响应，进一步了解大桥的动态响应特性，掌握桥梁结构的耐久性和稳定性，提高桥梁使用的安全性和可靠性。
具体内容如下：1. 建立厦漳跨海大桥结构的数学模型和实验模型。
2. 对实验模型进行试验和监测，记录和分析实验数据。
3. 分析实验结果，得出结论，评估大桥的动态响应特性和稳定性。
4. 提出设计优化方案，加强桥梁结构的抗震性、抗风性和稳定性。
三、研究方法1. 建立厦漳跨海大桥结构的数学模型，进行数值模拟。
采用ANSYS 等软件对大桥主体结构进行有限元分析，得出结构在风、波等作用下的动态响应特性，进一步计算得出桥梁的颤振和抖振频率。
2. 建立实验模型，进行实验研究。
把大桥的结构缩小到实验模型尺寸，采用模型试验的方法研究大桥的响应特性和模型的力学特性。
3. 对实验模型进行各种载荷的试验和数据采集。
例如，风、波、地震等多种自然载荷以及车辆荷载等人工载荷，进行实验监测，记录数据。
4. 分析实验数据，进行数据处理和统计分析，得出结论。
四、预期成果通过本次实验研究，预计达到以下成果：1. 建立较为完善的厦漳跨海大桥结构的数学模型。
2. 建立实验模型，进行各种载荷的试验并记录实验数据。
3. 分析实验数据，得出各种载荷下大桥的动态响应特性和结构稳定性等评估结论。
积分尺度对矩形迎风面脉动风压特性的影响
Abstract: In order to study the influence of turbulence integral scale on the fluctuating wind pressure and its distribution characteristics on the rectangular windward surface of a high-rise building，rectangular models with 2∶1 and 1∶2 width-depth ratios were put in a wind tunnel to obtain statistical features of wind pressure in turbulent flow fields with different integral scales for comparative analysis， including the mean wind pressure coefficient， root mean square coefficient， correlation coefficient and coherence function， and power spectrum of fluctuating wind pressure. Results are as follows：At the same height of the rectangular model in different turbulence flow fields，the wind pressure power spectrum is dominated by a quasi-steady effect in low-frequency regions，but it increases as the integral scale increases in high-frequency regions. The correlation and coherence of wind pressure increases with the integral scale increasing， and wind pressure is always more correlated than the turbulence flow. However， as the integral scale increases， the correlation width of wind pressure decreases， and the root mean square coefficient of fluctuating wind pressure increases. On the other hand， at different heights of the rectangular model in the same turbulence flow field，the farther away from the stagnation point，the smaller the wind pressure correlation function and coherence function，and the larger the root mean square coefficient of fluctuating wind pressure. In addition，the mean wind pressure coefficient is rarely affected by turbulence integral scale.
紊流空间相关系数对大跨度三塔悬索桥抖振响应的影响
紊流空间相关系数对大跨度三塔悬索桥抖振响应的影响茅建校;王浩;陶天友;徐梓栋;李爱群【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2016(035)010【摘要】鉴于紊流空间相关系数尚难以准确获取的现状，以泰州长江公路大桥为研究对象，采用谐波合成法模拟了该桥的三维脉动风场，并基于 ANSYS 平台进行了该桥非线性抖振响应时域分析。
在研究过程中，以 Davenport 相干函数中的无量纲衰减因子λ为控制参数，重点分析了紊流空间相关系数对大跨度三塔悬索桥风致抖振响应的影响。
研究结果表明，紊流空间相关系数对桥梁抖振响应影响较大，主梁跨中侧向与扭转位移响应随着衰减因子的增大而减小，竖向抖振位移响应随着衰减因子的增大而略有增加，且不同的衰减因子λ所造成的抖振响应计算值的差值可达50％以上。
结论可供大跨度三塔悬索桥的风致抖振研究参考。
【总页数】6页(P202-206,224)【作者】茅建校;王浩;陶天友;徐梓栋;李爱群【作者单位】东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京210096;东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京 210096;东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京 210096;东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京 210096;东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京 210096【正文语种】中文【中图分类】U448【相关文献】1.弹性索参数对三塔悬索桥抗震性能影响研究 [J], 闫聚考;李建中;彭天波2.桥塔风效应对大跨度悬索桥抖振响应的影响 [J], 王浩;李爱群;焦常科3.结构关键参数对三塔悬索桥动力特性的影响 [J], 王浩;程怀宇;陶天友;邓稳平;李爱群4.用紊流卷吸燃烧模型计算研究火时刻紊流参数对燃烧循环的影响 [J], 马凡华;陈淑萍5.中央扣对大跨度三塔悬索桥抖振性能的影响 [J], 张寒;王浩;姚程渊;陶天友因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
积分尺度和风速谱对桥梁抖振响应影响分析
积分尺度和风速谱对桥梁抖振响应影响分析李利孝;肖仪清;胡钢;焦丽娜【摘要】为研究目前被动湍流风洞试验中无法准确模拟的湍流积分尺度对桥梁结构抖振响应的影响并合理评价风洞试验结果,本文采用抖振频域的计算方法,以典型的一座斜拉桥和一座悬索桥为例,结合主梁节段模型气动力参数风洞试验结果研究了积分尺度对节段模型抖振响应的影响.结果表明：当在小风速时,抖振响应随着积分尺度的增加而减小,而当风速超过一定限值后,抖振响应随着积分尺度的增加先增大后减小;通过对比风洞试验模拟与规范推荐积分尺度的差异,发现风洞试验在小风速时高估了抖振响应,而在大风速时则低估了抖振响应.本文还分析了各国规范中采用的几种水平和竖向风速谱对抖振响应的影响,结果表明几种水平向风速谱对抖振响应的影响可忽略不计,而不同竖向风速谱计算的抖振响应则存在一定差别.%To study the influence of integral scale on buffeting response of long-span bridge which cannot be taken into account in the passive turbulence wind tunnel test and to provide a reasonable evaluation of wind tunnel test result,taking a typical cable-stay bridge and a suspension bridge as samples and combining aerodynamic parameters of the section model in wind-tunnel test,the influence of turbulence integral scale and wind spectra on buffeting responses were studied in frequency domain.The results show that buffeting responses decrease with increase of integral scale at lower wind speed;while at higher wind speed,buffeting responses increase first and then decrease.After comparing the integral scales in wind tunnel test and in wind standard,the result shows that buffeting response in wind tunnel were overestimated at lower wind speed,butunderestimated at higher wind speed.After comparing the influences of several frequently-adopted horizontal and vertical wind spectra on buffeting response,the result shows that the influence of different horizontal wind spectra can be neglected,but the influence of different vertical wind spectra should be taken into account.【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》【年(卷),期】2012(044)012【总页数】7页(P18-24)【关键词】湍流积分尺度;脉动风速谱;抖振;大跨度桥梁【作者】李利孝;肖仪清;胡钢;焦丽娜【作者单位】哈尔滨工业大学深圳研究生院土木与环境工程学院,广东深圳518055;哈尔滨工业大学深圳研究生院土木与环境工程学院,广东深圳518055;哈尔滨工业大学深圳研究生院土木与环境工程学院,广东深圳518055;哈尔滨工业大学深圳研究生院土木与环境工程学院,广东深圳518055【正文语种】中文【中图分类】TU352.2随着桥梁跨度的增加，结构刚度和阻尼逐渐减小，使得结构对风的敏感性增加.桥梁结构风效应主要包括静力扭转、涡激振动、颤振和抖振.脉动风引起的结构振动主要表现为抖振，其中以自然风脉动成份引起的抖振占主要地位［1］.频域内的抖振分析主要基于Scanlan准定常分析框架，并考虑Davenport提出的气动导纳进行修正［2－4］，在时域内分析则可考虑结构几何非线性和气动力非线性的影响［5－7］.目前对大跨度桥梁的抗风设计主要基于节段模型或全桥气弹模型风洞实验结果，但风洞实验中对脉动风特性参数确定和模拟却存在误差，尤其是对积分尺度的模拟，通常不满足模型与原型相似比要求，也无法模拟其随高度的变化关系.Simiu等［8］研究了湍流风场参数不确定性对张力平台结构风振响应的影响，发现当积分尺度变化2.4倍时，抖振响应根方差变化达80%;华旭刚等［9］通过输电塔气弹模型风洞实验指出大缩尺比气弹模型实验将造成积分尺度严重偏离实际;Lee等［10］通过主动湍流发生装置研究了湍流强度和积分尺度对抖振响应的影响，发现在相同湍流强度下随着积分尺度增加，抖振响应逐渐减小.湍流积分尺度表征了流场中湍流涡旋的平均尺度，风速谱则表征了湍动能在不同尺度上的分布特征.我国《公路桥梁抗风设计规范》建议湍流积分尺度在特定高度取为一固定值，风速谱则在水平向选取了Simiu谱，竖向选取了Panofsky谱.而在台风影响区，流场中对流湍流和中尺度运动较为显著，使得风特性参数在一定程度上偏离规范规定值;风速谱也与规范推荐经验谱在特定频率区段存在一定差异［11－12］.所以准确刻画脉动风特性对结构抖振响应的影响，量化二者之间的关系对于桥梁结构抖振响应控制具有重要现实意义.本文选取具有代表性的一座斜拉桥和一座悬索桥节段模型作为研究对象，基于抖振频域计算方法，分析了积分尺度和风速谱对节段模型抖振响应的影响，为风洞实验结果评价提供参考.在自激力和抖振力共同作用下，具有竖弯和扭转两个自由度节段模型的运动方程可表示为式中:m、I分别表示模型单位长度的质量和惯性矩;h、α表示模型的竖向位移和扭转角;Lb、Mb为采用Davenport准定常理论计算的抖振升力和升力矩;Lse、Mse 表示结构运动与气流耦合作用产生的自激升力和自激扭矩.其中:式中:CL，CD，CM分别为升力、阻力和升力矩系数;分别为升力、阻力和升力矩系数对攻角α 的导数;χL为气动导纳;H1，H2，H3，H4，A1，A2，A3，A4为加劲梁断面颤振导数;K 为折算频率，K= ωB/U.取 Y= ［h a］T，X(t)= ［L M］T，则模型运动方程可写为系统的频率响应函数为系统激励X(t)和响应Y(t)的谱密度函数矩阵表示为式中:H(ω)*和H(ω)T为H(ω)的共轭矩阵和转置矩阵;SXX(ω)表示系统激励的谱密度函数矩阵;SLL(ω)、SMM(ω)表示抖振升力和扭矩自谱函数矩阵;SLM(ω)、SML(ω)表示抖振升力和扭矩的互谱密度函数矩阵.由于抖振力互谱对抖振响应的影响很小，故忽略抖振力互谱的影响;通常认为大气湍流为各向同性，则两方向风速互谱密度为零，忽略风速互谱的影响，则抖振升力和扭矩谱可表示为对抖振响应谱在频域上进行积分可以得到抖振响应的方差选取典型的一座斜拉桥A和一座悬索桥B桥面板节段模型作为研究对象，分析脉动风特性对其结构抖振响应的影响.斜拉桥A主桥结构形式为双塔双斜索面结合梁斜拉桥，边孔设置辅助墩和锚固墩，主跨跨度达602 m，桥宽32.5 m，高3.02 m.悬索桥B主桥为跨度1 490 m的单跨钢箱梁加劲梁悬索桥，桥面主梁截面宽38.7 m，高3 m.斜拉桥A和悬索桥B的主梁断面详细设计参数见表1，选取一阶竖弯和一阶对称扭转模态作为节段模型的参考模态，研究脉动风对其抖振响应的影响.表2给出了斜拉桥A和悬索桥B风洞实验测试的静力三分力系数.目前采用粗糙元和格栅的被动式紊流发生装置能够产生的顺风向湍流积分尺度约为0.30～0.50 m，而一般跨海大桥桥面到海面的距离约为30～70 m，则实际积分尺度介于100～400 m，所以风洞实验缩尺比需达到1/300～1/800时才能模拟积分尺度的影响，这为模型设计和制作带来较大困难.因此采用频域计算方法，研究积分尺度对桥梁抖振响应影响，为风洞实验结果评价提供一定借鉴.本文选取纵向积分尺度L范围为25～450 m，横向和竖向积分尺度分别取为纵向的1/3和1/2，即抖振频域分析中，只在风速谱表达式中间接引入了积分尺度，在这里选取直接包含积分尺度的von Karman谱分析积分尺度对桥梁主梁断面抖振响应的影响，顺风向风速谱表达式为由各向同性湍流推得竖向风速谱为计算竖向和扭转抖振响应时，斜拉桥A和悬索桥B桥计算高度取为z=60 m，风速计算范围为U=10～80 m/s，下垫面粗糙度长度取为z0=0.01 m.忽略静风影响、结构非线性和攻角效应等因素的影响，断面颤振导数见图1、2，气动导纳采用Sears函数.采用二维抖振频域计算得位移响应均方值随积分尺度和风速的变化关系见图3、4.由图可见，悬索桥B在风速为70～80 m/s时发生明显颤振发散.斜拉桥A和悬索桥B竖向和扭转抖振响应均方根值在较低风速时均随着湍流积分尺度增大而减小，而当风速超过一定限值后，抖振响应随积分尺度的增大先增大后减小.于是需解决两问题:1)为什么积分尺度对抖振响应影响呈现这样的规律;2)在多大风速时，积分尺度对抖振响应开始呈现先增大后减小趋势.由于积分尺度只能在风速谱表达式中引入，所以积分尺度对抖振响应的影响只能反映在与风速谱相关的因素，即抖振力谱.采用式1(a)和(b)所给出的抖振升力谱和扭矩谱表达式，其中顺风向和竖向脉动风速谱分别采用式2(a)和(b)的表达式，气动导纳采用Sears函数，斜拉桥A和悬索桥B在不同风速下抖振力谱随积分尺度的变化关系见图5、6.由图5可见，当风速较小(U=40 m/s)时，斜拉桥A一阶竖弯和一阶对称扭转频率对应的抖振力谱值随着积分尺度的增大而减小，而当风速较大(U=70 m/s)时，斜拉桥A一阶竖弯频率对应的抖振力谱值随着积分尺度的增大先增大后减小，而一阶对称扭转频率对应的抖振力谱值随着积分尺度的增大而逐渐减小，与抖振响应的变化规律完全一致;图6中悬索桥B抖振力谱随积分尺度的变化规律也与抖振响应均方根值随积分尺度的变化规律完全一致.我国《公路桥梁抗风设计规范》规定，离地60 m高度处积分尺度为120 m，假定风洞实验中尺度放大之后积分尺度为25 m，则风洞试验与规范中对应积分尺度的风谱能量值比较见表3，表4则列出了风洞试验和规范中建议的不同积分尺度下计算得抖振力谱能量值比较.对比表3、4可见，抖振力谱的变化规律与竖向风速谱能量变化规律基本一致.由于在抖振力谱表达式1(a)和(b)中，C≪［C+CD］2/4，同时C≪C/4，所以抖振力谱表达式主要由竖向风速谱控制，由风速谱表达式2(b)可得，当风速与积分尺度比值满足下式时，将发生上述变换趋势的临界转换即当积分尺度与风速比值小于上值时，抖振力谱值随积分尺度增大而增加;当大于上值时，抖振力谱值随积分尺度的增大而减小.式(3)同时还受静力三分力系数及其对风攻角的导数以及气动导纳函数影响.图7给出了风洞试验抖振响应均方值误差与平均风速的关系(误差为负表示风洞试验高估了实际响应，误差为正表示风洞试验结果低估了实际响应).由图可见，基本上在小风速时，风洞实验高估了桥梁阶段模型抖振响应均方值，而随着风速增大，风洞试验结果又逐渐低估了抖振响应均方值.误差大小与结构振动频率以及风速有较大关系，当风速处在式(3)计算值附近时，风洞试验估计的抖振响应均方值与规范计算值较为接近.由积分尺度和风速对抖振响应影响分析可知，风速谱在结构特征频率处的差异对抖振响应产生较大影响.为了比较各国规范采用的不同风速谱对抖振响应的影响，水平向选取von Karman谱、Davenport谱、Simiu谱和 Harris谱，竖向选取Panofsky谱和Lumley-Panofsky谱进行分析，各风速谱表达式如下.1)von Karman谱，采用式2(a)的表达式.2)Davenport谱式中:f=1 200n/U(10);U(10)是10 m处风速.3)Simiu谱式中f=nz/U(z).4)Harris谱式中f=1 800n/U(10).5)Panofsky谱式中f=nz/U(z).6)Lumley-Panofsky谱式中f=nz/U(z).计算抖振响应时平均风速U取为20 m/s，当采用von Karman谱时，积分尺度选为Lxu=120 m.采用前述二维抖振频域计算方法，计算得桥梁断面抖振响应均方值RMS列于表5.由表5可见，水平向不同脉动风速谱所引起的抖振响应差别可忽略不计;而竖向两种风速谱对抖振响应的计算结果影响较大.对于斜拉桥A，水平向采用相同的风速谱，竖向采用Lumley-Panofsky风速谱计算得竖弯位移抖振响应均方差比采用Panofsky计算的结果大8.27%，扭转响应均方差则增大5.95%;对于悬索桥B，竖向采用Lumley-Panofsky风速谱计算得抖振响应均方差比采用Panofsky计算的结果大6.83%，扭转响应均方差则增大10.24%.主要原因是竖向风速谱在高频区对能量估计存在较大差别(见图8)，同时竖向风速谱对抖振响应的贡献远大于水平向风速谱.Panofsky谱在高频区满足n－1次律，Lumley-Panofsky谱则在高频区符合n－2/3次律，在台风过程中，竖向湍流输运加强，这两个竖向风速谱是否可用来描述台风过程风场竖向湍流脉动特征，哪一个更优需进一步研究.用二维抖振频域分析方法，对一座斜拉桥和一座悬索桥主梁节段模型定性研究了积分尺度和风速谱对风洞中节段模型抖振响应的影响.文中气动导纳采用Sears函数，所以结论有一定程度的近似，目前只能定性的参考，后续将结合风洞试验对气动导纳识别，并扩展至三维全桥模型进行湍流参数影响性分析，得到如下主要结论: 1)当风速较小时，抖振响应均方根值随积分尺度的增大而减小，当风速较大时，抖振响应均方根值随积分尺度的增大先增大后减小.2)对比风洞试验和规范中规定的积分尺度导致的抖振响应差异，发现风洞试验在低风速时高估了抖振响应，而在高风速时低估了抖振响应.3)不同水平向脉动风速谱对桥梁抖振响应均方值的影响差别可忽略不计，而不同竖向风速谱对桥梁的抖振响应均方值影响存在一定差别.所以在台风影响区竖向风速谱特征需进一步研究.肖仪清(1973—)，男，教授，博士生导师.【相关文献】［1］陈政清.桥梁风工程［M］.北京:人民交通出版社，2005.［2］赵林，葛耀君，李鹏飞.桥梁断面气动导纳互谱识别方法注记［J］.振动与冲击，2010(1):81－87.［3］文水兵，朱乐东，丁泉顺.扁平双边肋主梁桥梁断面抖振力及气动导纳频谱特性研究［J］.结构工程师，2008(3):96－101.［4］李明水，贺德馨，王卫华.大跨度桥梁抖振响应的频域分析［J］.空气动力学学报，2000(1):74－80.［5］CHEN Z Q，HAN Y，HUA X G，et al.Investigation on influence factors of buffeting response of bridges and its aeroelastic model verification for Xiaoguan Bridge［J］.Engineering Structures，2009，31(2):417 －431.［6］韩艳，陈政清，王建辉，等.贵阳小关桥双肢薄壁墩抖振响应试验与影响因素分析［J］.土木工程学报，2009(1):41－48.［7］胡亮，李黎，彭元诚，等.大跨桥梁抖振时域分析的程序化方法［J］.中国公路学报，2006(6):59－64.［8］SIMIU E，LEIGH S D.Turbulent wind effects on tension leg platform surge［R］.Final Report National Bureau of Standards.Washington，DC:Center for Building 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桥梁结构振动响应分析
桥梁结构振动响应分析桥梁结构是现代城市中不可或缺的基础设施之一。
然而，在桥梁使用过程中，由于交通载荷、环境变化和自然灾害等因素的影响，桥梁结构会发生振动，这可能对桥梁的稳定性和安全性产生不利影响。
因此，振动响应分析成为了桥梁工程领域一个重要的研究方向。
一、振动引起的问题1. 动态特性：桥梁结构在影响下会出现与静态加载不同的动态特性。
动态特性包括频率、振型以及振幅等参数，这些参数反映了桥梁结构在受力时的动态响应情况。
2. 疲劳损伤：桥梁结构在长期振动作用下，容易导致疲劳损伤。
疲劳损伤是由于周期性的加载引起的，振动频率与桥梁的固有频率接近时，容易引发共振，从而加剧疲劳损伤。
3. 振动幅度：振动会导致桥梁结构的位移、速度和加速度等变化，这些变化对桥梁的稳定性和舒适性都有重要影响。
过大的振幅可能引起结构失稳或者通行车辆的不适感。
二、振动分析的方法为了解决桥梁结构振动问题，研究人员采用了多种振动分析方法。
以下是几种常见的方法：1. 数值模拟方法：通过建立数学模型和物理模型，运用有限元法等数值方法，来模拟桥梁结构受到各种载荷作用时的动态响应情况。
数值模拟方法具有模型构建简便、计算效率高等优点。
2. 实验测试方法：通过搭建试验平台，利用振动台或者激振装置对桥梁结构进行真实加载，然后采集结构在不同振动条件下的振动响应数据。
这种方法能够更直观地观察和分析桥梁的振动情况。
3. 健康监测方法：利用传感器等设备，对桥梁结构进行长期实时监测，获取结构的振动数据，并进行分析。
健康监测方法可以不受限于实验条件，能够全面监测桥梁的振动情况。
三、影响振动响应的因素桥梁结构的振动响应受到多种因素的综合影响，以下是几个常见的影响因素：1. 交通载荷：车辆通行是产生桥梁振动的主要原因之一。
交通载荷包括车辆质量、速度和数量等因素，在桥梁上施加动态荷载，导致桥梁结构振动。
2. 环境变化：温度、湿度和风速等环境参数的变化，会引起桥梁结构发生热胀冷缩或者受到风荷载，从而引起结构振动。
某简支梁桥的抖振响应分析
某简支梁桥的抖振响应分析
梁桥是指由梁式结构来支撑道路或铁路的桥梁，简支梁桥则是一种常见的桥梁结构形式。
在梁桥的使用过程中，由于车辆行驶、风荷载等外力作用以及桥梁结构自身的振动引起的梁桥抖振响应问题一直备受关注。
对梁桥的抖振响应进行分析，有助于评估梁桥的安全性能，并为桥梁设计、改造和维护提供重要的理论参考。
某简支梁桥是城市道路桥梁，长期承受车辆行驶荷载和风荷载等作用，结构稳定性和振动响应是该桥梁设计和运行中的重要问题。
本文基于某简支梁桥结构特点和工况，对其抖振响应进行分析和研究，从理论和实际角度对桥梁的振动性能和安全性能进行评估。
对某简支梁桥的结构特点进行简要介绍。
该桥跨度较小，结构简单，为简支梁结构，主要受到车辆荷载和风荷载的作用。
桥面铺装沥青混凝土，支座式简支支座。
在分析抖振响应时，主要考虑桥梁的瞬态振动响应和稳态振动响应，在考虑不同工况下的桥梁振动响应时，需要采用相关的动力学理论和方法进行分析。
对某简支梁桥的抖振响应进行数值模拟和分析。
采用有限元分析软件对某简支梁桥的结构进行建模，考虑桥梁的材料性能、几何形状和边界条件等因素，对桥梁的自由振动特性进行计算和分析。
通过模态分析，可以得到桥梁的主要振型和振动频率，为后续的抖振响应分析提供基础数据。
在考虑车辆荷载和风荷载等外力作用下，采用时程分析方法对桥梁的瞬态振动响应进行模拟和分析，得到桥梁在不同工况下的振动响应情况。
对桥梁的稳态振动响应进行频域分析，得到桥梁在不同频率下的动力响应特性，进一步评估桥梁的振动性能和安全性能。