结构风致振动及控制的若干问题研究及思考.pdf

第十四届全国结构风工程学术会议论文集 结构风致振动与控制的若干问题研究与思考 陈政清 (湖南大学风工程试验研究中心，湖南长沙410082) 摘要从工程实际中提炼出科学问题并加以研究，一直是风工程研究的一个显著特点。近年来，湖南大学在 研究和解决实际工程的抗风问题过程中，发现和提炼出了若干科学问题，在反复思考的基础上进行了较深入的研究． 本文简要介绍了对计入拉索气动力的三维颤振分析方法、颤振时域分析、拱桥吊杆的大攻角颤振与大攻角颤振导数 识别以及紊流积分尺度修正等问题的思考和研究． 关键词 桥梁吊杆颤振紊流积分尺度时域分析 1．引 言 从工程实际中提炼出科学问题并加以研究，是风工程研究的一个显著特点。近年来，湖南大学 在研究和解决实际工程的抗风问题过程中，发现和提炼出了若干科学问题，在反复思考的基础上进 行了较深入的研究。针对大跨度密索面斜拉桥风荷载比重日益增大的趋势和适应拉索——悬吊混合 体系的超大跨度桥梁抗风设计的需要，提出了三维颤振分析中计入拉索气动力的问题。针对峡谷风 速沿跨向不均匀分布的情况，开发了颤振时域分析方法。在拱桥吊杆病害分析的基础上，提出了直 立杆件的大攻角风效应概念和相关的试验与分析方法。在高压输电塔风振系数研究中，提出了一种 紊流积分尺度的修正方法。其中部分T作内容，在本次会议论文集相关论文中有更详细的介绍。本 文研究工作得到国家自然科学基金重点项目和多个面上项目的资助。 2．记入拉索自激力的三维颤振分析方法 现有的桥梁颤振理论基本框架是Scanlan在1970年前后建立的，基本假定是： (1)只计主梁／加劲梁的气动自激力： (2)条带假定，即梁的每个截面承受同样的自激力，从而自激力本身是一个二维流场问题； (3)风场与桥轴线正交且均匀分布； (4)自激力是截面振动的线性函数，可用颤振导数来表示，它只与截面形状有关，且简化为无量 纲风速的函数。 以上假定比较适合分析悬索桥结构的风致振动，但假定(1)不太适合斜拉桥、拱桥。近年来，斜 拉桥跨径迅速增长，苏通人桥和昂船洲大桥的主跨跨径都超过了1000m。斜拉桥拉索的总受风面积 可能大于主梁的受风面积。以苏通桥为例，主桥272根拉索，最长580m，按平均长度300m，平均 m2，因此拉索受风面积已超过主梁。对于这种大跨度斜拉桥，只计主梁气动力的假定恐怕难以符合 实际情况。另一方面，现有的斜拉桥风振分析和试验普遍采用了等效模态质革的修正方法，其实质 是计入了拉索与桥塔的惯性质量。这种计入了拉索质茸而未计入拉索气动力的处理方式，有可能是 偏于不安全的。基于以上分析，我们在国家自然科学基金重点项目支持下，开展了计入拉索自激力 的颤振分析方法研究，目前这一方法尚在程序开发之中，这里简要介绍研究的基本思路。 2．1拉索自激力 拉索是全对称的直径为d的圆形截面，不存在攻角问题，升力系数为零。拉索也是细长构件， 16 第十四届全国结构风工程学术会议论文集 扭转振动可以忽略而只考虑弛振力。风轴坐标系(如图1所示)下，采用准定常理论的自激力表达式 为 吒=一j1∥2d．CD．台 (1) 式中Cn为阻力系数，d为拉索直径，负号表示 U 弛振白激力方向与截面运动方向h相反。可以证 明，即使令h方向向上，与升力L方向一致， 上h 也仍会得到式(1)同样的表达式。一般而言，只 要u与截面对称轴垂直，自激力方向与坐标系 为左手或右手无关。 我们也可以采用Scanlan的非定常表达式计算自激力 图1圆截面的风轴坐标系 E=互I∥2d(KH,+·百h+K2·风‘·办) (2) 颤振导数蜀‘和q‘可以用节段模型风洞试验方法识别得到，它们是无量纲风速矽=哆惫的函数， ，)” 而K==当是无量纲圆频率。