大跨度桥梁颤振稳定性研究方法

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1、大跨度桥梁颤振稳定性研究方法摘要：本文从古典耦合颤振理论、分离流颤振模型和三维桥梁额振分析等三个方面简要回顾了空气动力作用下大跨度桥梁风振稳定性研究的历史，比较全面地综述了桥梁额振稳定性理论由简单到复杂，由解析方法到数值方法、由二维颤振到三维额振以及由多模态参与到全模态参与的发展过程。为了便于定量地比较这几种颤振分析理论和方法的适宜条件和精度，以完全流线形的悬臂机翼和钝体截面的上海南浦大桥为例，计算和分析了颤振临界风速的数值结果。关键词：空气动力学大跨度桥梁颤振稳定性临界风速一、前言浸没在气流中的任一物体，都会受到气流的作用，这种作用通常称为空气力作用。当气流绕过一般为非流线形（

2、钝体）截面的桥梁结构时，会产生涡旋和流动的分离，形成复杂的空气作用力[1]。当桥梁结构的刚度较大时，结构保持静止不动，这种空气力的作用只相当于静力作用；当桥梁结构的刚度较小时，结构振动得到激发，这时空气力不仅具有静力作用，而且具有动力作用[2]。风的动力作用激发了桥梁风致振动，而振动起来的桥梁结构又反过来影响空气的流场，改变空气作用力，形成了风与结构的相互作用机制。当空气力受结构振动的影响较小时，空气作用力作为一种强迫力,引起结构的强迫振动；当空气力受结构振动的影响较大时，受振动结构反馈制约的空气作用力，主要表现为一种自激力，导致桥梁结构的自激振动。当空气的流动速度影响或改变了不

3、同自由度运动之间的振幅及相位关系，使得桥梁结构能够在流动的气流中不断汲取能量，而该能量又大于结构阻尼所耗散的能量，这种形式的发散性自激振动称为桥梁颤振[3]。桥梁颤振物理关系复杂，振动机理深奥，因而桥梁颤振稳定性研究也经历了由古典耦合颤振理论到分离流颤振机理再到三维桥梁颤振分析的发展过程。二、古典耦合颤振理论尽管由气动弹性影响所引起的机翼动力失稳现象早在人类实现空中飞行梦想的最初年代里已经观察到了，但是非定常机翼颤振理论直到20年代初才取得了实质性的进展。1．Theodorsen机翼颤振理论1922年，Bimbaum利用Prandtl的约束涡旋理论，提出了第一个简谐振动平板机翼的

4、气动升力解析表达式。此后Theodorsen，soNormalstyle="TEXT-INDENT:21pt;mso-char-indent-count:2.0;mso-char-indent-size:10.5pt">2．BlEich悬索桥颤振分析1940年秋天，美国华盛顿州Taa悬索桥风毁失事，人们很自然地将这一风振现象比拟为裹冰状态输电缆的驰振或平板机翼的颤振。BlEIch试图用Theodorsen平板机翼颤振理论来解释这一事故，但是他发现居此计算得到的颤振临界风速远高于Taa悬索桥破坏当天的实际风速。显然机翼颤振系数不能直接用于气动现象更加复杂的钝体截面中，例如Taa悬索

5、桥的桁架加劲梁断面。为此，BIeich又尝试用考虑桥面断面两边涡旋影响的附加升力项来修正Theodorsen气动力表达式，并通过逐次逼近方法计算出了较为合理的悬索桥颤振临界风速，从而建立起了悬索桥古典耦合颤振的分析方法［7］。3．Kloppel/Thiele诺模图1961年，Kltalstyle="TEXT-INDENT:21pt;mso-char-indent-count:2.0;mso-char-indent-size:10.5pt">4．VanderPut计算公式1976年，vanderput在Kloppel和Thiele诺模图的基础上，偏于安全地忽略了阻尼的影响，认为折算

6、风速U/ωB和扭弯频率比ε=ωα/ωh之间具有近似线性关系，从而导出了平板古典耦合颤振临界风速Ucr的实用计算公式。三、分离流颤振机理当气流绕过振动着的非流线性截面时，在迎风面的棱角处气流将发生分离，同时产生涡旋脱落，也可能发生再附，其流态十分复杂，简单地采用Theodorsen表达式已经不能描述气流作用在非流线体上的非定常空气力[11]。1．非定常气动力实验测量Theodorsen机翼气动力表达式是建立在有势流沿着翼面流动基础之上的。一旦气流有分离时，这一假定立即失效，而流动分离所引起的失速颤振现象最早是在螺旋浆和航空发动机叶片上观察到的。由于建立在分离流基础之上的非定常气动力

7、表达式无法找到，因此从30年代开始，人们将注意力转向用实验方法来确定非定常气动力，主要通过两种方法来实施。一是直接测量法，即对确定形式振动的物体，采用拾振器、应变计或其他仪器直接测量气动力分量；二是间接测量法，即间接地从振动的物体上计算气动力的大小，这两种方法同样适用于机翼和桥梁断面。1958年，Forshing采用直接测量法测得了各种棱柱体的非定常气动力［12］，而Ukeguchi等人将Halfman测量机翼非定常气动力的方法，首次用到了桥梁断面非定常气动力的测定中，他们采用机