L1-2 Introduction

Introduction1桥梁动力分析DynamicAnalysisforBridges虞庐松[e-mail]桥梁的风致振动•风致效应•风工程研究方法•减震措施•基本概念Introduction1、基本风速桥梁所在地区（一般指县级以上气象站所管辖的范围）中的开阔平坦地面以上10m高度处100年重现期的10min平均年昀大风速；2、设计基准风速在桥位所在地区基本风速的基础上，考虑桥位局部地表粗糙度影响的桥面高度处100年重现期的10min平均年昀大风速；3、自激振动检验风速保证桥梁避免发生自激振动的风速界限。自激振荡(颤振和弛振)是一种危险性的发散振动，必须通过抗风设计使桥梁的自激振动临界风速高于其设计基本风速，并具有一定的安全储备；4、风的攻角由于地形的影响，近地风的方向可能对水平面产生一定的倾斜度，称为风的攻角，一般以指向物体下底面为正。具有攻角的风可能对桥梁的风致振动，如颤振，产生不利的影响。一般认为高风速时的平均攻角约在±3º之间；5、边界层空气和水的粘性很小，在一般流动中可以忽略，但是在靠近物体表面处，粘性是不可忽略的。物体表面附近的这一层流场就称为边界层。基本概念Introduction6、颤振（Flutter）颤振是一种危险性自激发散振动，当其达到临界风速时，振动的桥梁通过气流的反馈作用不断吸取能量，从而使振幅逐步增大直至昀后使结构破坏；7、驰振（Galloping）对于非圆形的边长比在一定范围内的类似矩形断面的钝体结构及构件，由于升力曲线的负斜率效应，微幅振动的结构能从风流中不断吸取能量，当达到临界风速时，结构吸收的能量将克服结构阻尼所消耗的能量，形成一种发散的横风向单自由度弯曲自激振动；8、涡激共振（Vortex-ExcitedResonance）风流经各种断面形状（圆形、矩形、多边形等）的钝体结构时都有可能发生涡流的脱落，出现两侧交替变化的涡激力。当涡流脱落频率接近或等于结构的自振频率时，将由此激发出结构的共振；9、抖振（Buffeting）大气中的紊流成分所激起的强迫振动，也称为紊流风响应。抖振是一种限幅振动，由于它发生频率高，可能会引起结构的疲劳。过大的抖振振幅会引起人感到不适，甚至会危及桥上高速行车的安全。风致振动Introduction风致效应风致效应属于流体和固体相互作用的范畴，研究风环境、风荷载与结构响应三个要素。•风环境风环境包括从气象学、微气象学与气候学中导出的一些基本内容。包括：气象学——大气流动基本特征的描述和解释；微气象学——平均风速随高度增加的关系；脉动风的紊流强度与积分尺度；它们与地面粗糙度的关系；气候学——桥址处风况的预测（百年一遇极值风速和风向）；桥址处风速风向玫瑰图；•风荷载风荷载就是风对结构的作用，实质是风与结构相互作用的结果。即随机变化的风流过本身也在微振动的桥梁，使得围绕桥梁表面的大气压力形成一种特定的分布状态，并且在不断变化之中。气动三分力：垂直向上的升力、顺来流方向的阻力以及使桥梁产生扭转效应的扭矩作用；平均风（不随时间变化的定常流）、脉动风（随时间变化的非定常流，又称紊流）；结构固定不动；结构本身在微振动；•结构响应用无量纲参数的某种数学表达式描述风荷载，结构响应就可以应用结构动力学知识来分析。视荷载的表达方式不同：频域分析和时域分析；自激的颤振（Flutter）和驰振（Galloping）可归结为求解动力学失稳临界状态的问题，复特征值求解法；抖振（Buffeting）是一种随机振动，需要采用随机振动的分析方法，求得表征随机响应的特征值；涡振（VortexShedding）主要靠风洞试验结果判定。Introduction风荷载vØ顺风向风速时程曲线Ø平均风→忽略其对结构的动力影响→等效为静力作用（∵风的长周期结构的自振周期）Ø脉动风→引起结构动力响应（∵风的短周期接近结构自振周期）Ä顺风向的风效应：平均风效应、脉动风效应脉动风速vf—短周期成分，周期一般只有几秒钟Ä平均风速v—长周期成分，周期一般在10min以上vfv(t)tIntroduction风荷载与风致效应的分类自然风的分量结构状态风荷载类型描述风荷载的无量纲参数结构响应类型与特征平均风（定常风）假定结构固定平均风力三分力系数静变形与静力失稳涡激力斯托哈特数介于强迫振动与自激振动之间微振动自激力颤振导数颤振、弛振(自激的可能发散的振动)脉动风假定结构固定抖振力气动导纳抖振限幅振动（强迫振动）Introduction风对桥梁的作用受到风的自然特性、结构的动力特性以及风与结构的相互作用三方面的制约。从工程的抗风设计角度，可以把自然风分解成不随时间变化的平均风和随时间变化的脉动风两部分的叠加，分别考虑它们对桥梁的作用。1、风的静力作用(静力效应)在平均风作用下，假定结构保持静止不动，或虽有轻微振动，但不影响空气的作用力，即忽略气流绕过桥梁时所产生的特征紊流以及涡流脱落等非定常（随时间变化的）效应，只考虑定常的空气作用力，称为风的静力作用。2、风的动力作用(动力响应)桥梁作为一个振动体系在近地紊流风作用下的空气弹性动力响应可以分为两大类：A．在风作用下，由于结构振动对空气力的反馈作用，产生一个自激振动机制，若颤振和驰振达到临界状态时，将出现危险发散振动。B．在脉动风作用下的一种限幅随机强迫振动，称为抖振；涡激共振随带有自激的性质，但它是限幅的，因而具有双重性。风对桥梁的作用Introduction风工程研究方法理论分析风洞试验与现场观测数值模拟运用空气动力学原理，建立各类风荷载的数学模型，然后应用结构动力学方法，求解各类风致振动和稳定问题。西奥多尔森(Theodorsen)理想平板颤振自激力理论解；斯坎伦(R.H.Scanlan)桥梁断面颤振理论；达文波特(Davenport)抖振准定常理论。边界层风洞：最高风速一般不超过100m/s，试验段尽量长以便模拟大气边界层内自然风场的紊流特性。根据试验目的，分为节段模型和全桥模型风洞试验。足够大断面的试验段(全桥模型试验)；高精度的测试设备；相似比要求。通过精心设计的各种风洞试验，可以预测实桥的空气静力稳定性、动力稳定性以及是否有影响正常使用的风致振动现象发生，还可用于优选桥梁断面，以提高桥梁的气动性能。在桥梁发生风致病害时进行现场观测，也是研究桥梁气动性能、为治理病害提供依据的主要手段。应用计算流体力学方法，模拟气流经过桥梁结构时结构周围的流场分布情况。应用数值模拟方法，可较好地计算某些断面的三分力系数、颤振导数等，又称数值风洞技术。Introduction风致振动的减震措施空气动力学措施机械减振措施引起桥梁振动的风荷载性质与桥梁结构外形密切相关，在不改变桥梁结构与使用性能的前提下，适当增加一些导流装置或改变其外形布置，往往可以减轻风致振动。加装风嘴、导流板、稳定板等；使主梁断面更接近流线型，避免或推迟漩涡脱落的发生，增大竖向振动阻尼。对附属装置，如人行道、栏杆、防撞栏、检修车轨道等的位置和形状作适当调整，改变主梁的空气动力学特性；在斜拉索或主缆的表面制造凹痕或者螺旋线，可减轻拉索风雨振的程度。可调质量阻尼器(TMD)；单纯的阻尼器；主动控制技术。风灾害与风洞试验Introduction风灾害与风洞试验Introduction风灾害与风洞试验湖南大学风洞Introduction同济大学风洞长安大学风洞风洞试验Introduction天津海河柳林桥风洞试验风洞试验Introduction江阴长江大桥风洞试验昂船洲大桥风洞试验福州青州闽江大桥风洞试验风洞试验Introduction车-桥梁耦合振动Vehicle-BridgeInteractionDynamicsIntroduction车-桥梁耦合振动列车通过桥梁时将引起桥梁结构的振动，而桥梁的振动又反过来影响车辆的振动，这种相互作用、相互影响的问题就是车辆与桥梁之间振动耦合的问题。人类自1825年建成第一条铁路以来，便开始了对列车与桥梁相互作用研究探索的漫长历史过程。1849年Willis提交了第一份关于桥梁振动研究的报告，探讨了Chester铁路桥梁塌毁的原因，在随后的近100年时间内，由于当时力学水平、计算技术、方法及手段的落后，研究中通常将车辆、桥梁简单地看作两个独立的模型，在这种模型里，机车车辆被简化成单个或多个集中力，或者将其各种动力因素简化为简谐力。而桥梁被处理成均布等截面梁，采用级数展开的方法进行近似的求解，这些方法基本上只能算是解析解或半解析解。20世纪60、70年代以来，电子计算机的出现以及有限元技术的发展，使得车桥耦合振动研究有了飞速的发展，从车桥系统的力学模型、激励源的模拟到研究方法和计算手段等都有了质的飞跃，人们可以建立比较真实的车辆和桥梁计算模型，然后用数值模拟法计算车辆和桥梁系统的耦合振动响应，美国、日本、欧洲和国内诸多学者为车桥耦合振动理论的发展做出了重要贡献，在车辆模型、桥梁模型以及车桥系统耦合振动方面取得了不少成就。Introduction车-桥梁耦合振动车桥耦合振动研究的现状20世纪60、70年代，西欧和日本开始修建高速铁路，对桥梁动力分析提出了更高的要求；同时，电子计算机的出现以及有限元技术的发展，使得车桥振动研究具备了强有力的分析手段，这极大地促进了车桥耦合振动研究的向前发展。日本在修建本四联络线时，对车桥动力响应做了大量的理论研究、试验研究和现场测试工作。通过分析轮轨横向力、轮重减载率、脱轨系数和车体加速度来研究列车走行性，通过确定桥梁挠度和轨道折角的允许限值来保证列车行车的舒适性与安全性要求，并对桥梁的竖向、横向刚度做出了相应的规定。松浦章夫在研究确定中小跨度桥梁的竖向挠度限值时，采用的车辆模型为半个车辆(半个车体、一个转向架及两个轮对)的半车模型，只考虑车体的浮沉、一个转向架的浮沉与点头自由度，不考虑列车过桥时桥梁本身的振动，假定桥梁在静活载下产生的竖向挠度为正弦半波，于是，列车通过桥梁时的车桥振动研究便看作列车沿一个或多个连续布置的半波正弦曲线运行时的振动分析。车桥耦合振动的研究思路，已经由早期以现场实测为主的分析方法，发展为现代以理论分析为主、现场实测进行验证的理论与实践相结合的方法。即在桥梁设计阶段，可以借助车桥动力检算这一手段，设计出低动力响应的桥梁结构；在必要的时候，选取典型的桥梁，进行现场实测工作来验证。研究思路Introduction车-桥梁耦合振动车辆分析模型2O世纪70年代，美国K．H．Chu等最早采用多刚体多自由度的复杂车辆模型，认为车辆由车体、转向架构架、轮对等刚体组成，各刚体在空间具有伸缩、横摆、浮沉、侧滚、摇头、点头6个自由度。，它们之间通过一系、二系悬挂等弹性元件组成。车辆动力学的研究表明，车辆垂向与横向振动之间的耦合效应较弱，同时为了计算上的简便，有时往往将车桥竖向与横向振动分平面进行。这样，在研究车桥竖向耦合振动问题时，只考虑车体、转向架与轮对的浮沉与点头自由度；在研究车桥横向耦合振动问题时，只考虑各部件的横摆、摇头与侧滚自由度。Introduction车-桥梁耦合振动Introduction车-桥梁耦合振动在选取车辆模型与自由度数目时，既可按二系悬挂系统来处理，也可将转向架与轮对合并、或将转向架与车体合并按一系悬挂系统来处理。随着计算机的迅速发展以及计算分析技术的提高，目前大都倾向于采用车辆空间振动模型。车辆竖向振动模型①考虑车体的浮沉与点头2个自由度的车辆竖向振动模型，车辆按一系悬挂系统考虑，忽略转向架的质量，认为轮对的竖向加速度、速度及位移与桥梁一致。②考虑车体与前后转向架的浮沉与点头运动，共6个自由度的车辆竖向振动模型，该模型按二系悬挂系统处理车辆，仍假定轮对的竖向加速度、速度及位移与桥梁一致。③考虑轮轨弹性接触的车辆竖向振动模型：即在上述模型的基础上，假定轮对与轨道为弹性接触，各轮对竖向位移作为独立的自由度加以考虑。车辆横向振动模型典型的车