桥梁风致响应.

同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系桥梁抗风设计第二讲主讲教师：杨詠昕博士．副研究员桥梁风致响应2、静风响应1、桥梁风效应同济大学土木工程防灾国家重点实验室3、风振响应4、结构动力特性5、气动力模型同济大学土木工程防灾国家重点实验室1.桥梁风效应桥梁风效应刚度较大—静力作用刚度较小—动力作用平均风(低频部分)脉动风(高频部分)振幅较小—强迫力振幅较大—自激力抖振(buffeting)涡振(vortexshedding)颤振(flutter)驰振(galloping)桥梁结构风效应分类同济大学土木工程防灾国家重点实验室1.桥梁风效应（续）荷载分类荷载效应作用机理静力作用平均风荷载引起的内力和变形风压作用下的阻力、升力和升力矩平均风荷载稳定扭转发散平均风荷载引起的升力矩作用侧向屈曲平均风荷载引起的阻力作用动力作用脉动风荷载响应限幅振动脉动风荷载的湍流动力作用自激振动涡振漩涡脱落产生的涡激力作用驰振单自由度发散振动自激升力的气动负阻尼效应扭转颤振自激升力矩的气动负阻尼效应耦合颤振多自由度自激力耦合效应的气动负阻尼现象风荷载及桥梁风效应同济大学土木工程防灾国家重点实验室顺风向荷载(along-windload)阻力(dragforce)2.静风响应2.1静风作用横风向荷载(cross-windload)升力(liftforce)扭矩荷载(torsionalmoment)升力矩(pitchingmoment)2.2静风响应位移(2个线位移+1个角位移)结构(2个水平+1扭转)桥梁(水平+竖向+扭转)风压(局部位置垂直于表面)结构为主桥梁较少反力(2个力+3个矩)桥梁主梁、塔底结构基底稳定(静风稳定性)—桥梁扭转或侧向发散同济大学土木工程防灾国家重点实验室BuffetingVortexsheddingFlutterorgalloping抖振涡振颤振或弛振3.风振响应AAAVVVtttAAA同济大学土木工程防灾国家重点实验室4.结构动力特性4.1结构计算模型(1)按施工阶段划分(缆索承重桥梁)桥塔自立状态、主梁拼梁状态、全桥成桥状态(2)按主梁离散划分单梁式、双梁式、三梁式(1)按对称性划分—对称和反对称(2)按特征值划分—一阶、二阶、…(3)按振动特性划分—侧向弯曲、竖向弯曲、扭转4.2结构振型分类同济大学土木工程防灾国家重点实验室法国NormandieBridge(L=856m)Hzfpa358.0Hzfts500.0Hzfha269.0,222.0Hzfhs,151.0Hzfps侧弯：竖弯：扭转：4.3大跨度桥梁自振频率同济大学土木工程防灾国家重点实验室日本TataraBridge(L=890m)Hzfpa219.0Hzfts497.0Hzfha214.0,139.0Hzfhs,078.0Hzfps侧弯：竖弯：扭转：4.3大跨度桥梁自振频率（续）同济大学土木工程防灾国家重点实验室香港StonecuttersBridge(L=1018m)Hzfpa260.0Hzfts505.0Hzfha221.0,184.0Hzfhs,090.0Hzfps侧弯：竖弯：扭转：4.3大跨度桥梁自振频率（续）同济大学土木工程防灾国家重点实验室中国苏通长江大桥(L=1088m)Hzfpa270.0Hzfts532.0Hzfha215.0,175.0Hzfhs,098.0Hzfps侧弯：竖弯：扭转：4.3大跨度桥梁自振频率（续）同济大学土木工程防灾国家重点实验室丹麦GreatBeltBridge(L=1624m)Hzfpa118.0,278.0HzftsHzfha0998.00.0839,hsfHz,0521.0Hzfps侧弯：竖弯：扭转：Hzfta383.04.3大跨度桥梁自振频率（续）同济大学土木工程防灾国家重点实验室日本AkashiKaikyoBridge(L=1991m)Hzfps038.0Hzfts135.0Hzfhs064.0侧弯：竖弯：扭转：4.3大跨度桥梁自振频率（续）同济大学土木工程防灾国家重点实验室意大利MessinaStraitBridge(L=3300m)Hzfpa059.0,081.0HzftsHzfha080.0,061.0Hzfhs,033.0Hzfps侧弯：竖弯：扭转：Hzfta097.04.3大跨度桥梁自振频率（续）同济大学土木工程防灾国家重点实验室中国悬索桥方案(L=5,000m)Hzfpa041.0Hzfts073.0Hzfha062.0,048.0Hzfhs,024.0Hzfps侧弯：竖弯：扭转：4.3大跨度桥梁自振频率（续）同济大学土木工程防灾国家重点实验室4.4结构阻尼(Structuraldamping)4.5单自由度系统(SDOF)0.5%~1.0%,23.14~6.281.0%~1.5%,26.28~9.421.5%~2.5%,29.42~15.71sssssssss：合梁：：...000000002()()02,2()0expsincos()()1()expsin,1stssDDDDsmxcxkxFtkcFtfmmkFtxttAtBtFthtdthtttm振动方程：自由振动：强迫振动：钢桥:结合梁桥:混凝土桥:同济大学土木工程防灾国家重点实验室4.6多自由度系统222212,2,jjjjjjjjjLjjjjLjjjjjLjjLjjjNjjjMqCqKqFtMmyydyKkyydyMCCyydyMFtPytydyfyytyqt振型方程：广义质量：广义刚度：广义阻尼：广义荷载：自振频率：振动响应：同济大学土木工程防灾国家重点实验室5.气动力模型5.1静力分量(StaticComponent)21()2LLUBC()LC21()2DDUBC221()2MMUBC()DC()MC—升力系数，是α的函数，取值与B有关—阻力系数，是α的函数，取值与B有关—升力矩系数，是α的函数，取值与B有关同济大学土木工程防灾国家重点实验室5.1静力分量(续)-0.40-0.30-0.20-0.100.000.100.200.300.40-10-8-6-4-20246810degreeDragLiftTorsion-0.25-0.20-0.15-0.10-0.050.000.050.100.150.200.25-10-8-6-4-20246810degreeDragLiftTorsion断面1断面2三分力系数1三分力系数2同济大学土木工程防灾国家重点实验室(1)准定常假定(Quasi-steadyaerodynamics)5.2自激力分量(Self-ExcitedComponent)任意时刻气动力仅仅与该时刻结构的相应位置有关。22()12122jjjrefrefdCCCdhnBwhnBwUupUdpQUudtdpUUudt同济大学土木工程防灾国家重点实验室(1)准定常假定(续)2'2''2'2''22'2'1212/21212/21212fLLrefLLLfDDrefDDDfMMrefMdpLUuBCCdtUBCCpChnBUdpDUuBCCdtUBCCpChnBUdpMUuBCCdtUBC'2/MMCpChnBU同济大学土木工程防灾国家重点实验室(2)非定常假定(Unsteadyaerodynamics)5.2自激力分量(续)fhppphhLLhLhLhLLLLpLpLp222222hhhhppppMMhMhMMMMMpMpfhppphhDDhDhDhDDDDpDpDp222hhhhppppDDhDhDDDDDpDpfhppphhMMhMhMhMMMMpMpMp222hhhhppppLLhLhLLLLLpLp同济大学土木工程防灾国家重点实验室(2)非定常假定(续)2**2*2**2*1234562**2*2**2*1234562**2*2**2*1234562222212fffhhhUBhBhppLKHKHKHKHKHKHUUBUBUBpBphhDKPKPKPKPKPKPUUBUBUBhBhppMKAKAKAKAKAKAUUBUBLLUK2**41222**32222**651211221122hPPPPHLUBKHLLUBKHLUBKHLLUKHLUBKH，，，同济大学土木工程防灾国家重点实验室(1)定常假定5.3强迫力分量(Buffetingforce)2'2'22'1()()221()()221()()22bLLDbDDbMMutwtLUBCCCUUutwtDUBCCUUutwtMUBCCUU(2)准定常假定2'2'2'1()()221()()221()()22bLLuLDLwbDDuDDwbMMuMMwutwtLUBCCCUUutwtDUBCCUUutwtMUBCCUU同济大学土木工程防灾国家重点实验室(3)频域表达式5.3强迫力分量(续)2222222'222222'2222242'2222222144144144LLLuuLDLwwDDDuuDDwwMMMuuMMwwLuLwDuDwMuMwSUBCSCCSSUBCSCSSUBCSCS、、、、、—气动导纳同济大学土木工程防灾国家重点实验室5.4分量总和fbfbfbLLLLDDDDLMMM主要问题:1.每项分量的定义是否合适?2.分量之间是否存在耦合项?3.三分力系数、气动导数、气动导纳识别?4.特征紊流的气动力模型?5.是否还有其它分量存在?下周同一时间再见!同济大学土木工程防灾国家重点实验室