风振及风振控制4-涡振

二、风致振动1.涡激振动2.颤振3.驰振4.抖振LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.涡激振动1.1卡门涡旋1.2涡激振动1.3涡振特性1.4涡振估算1.5涡振的控制措施LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.1卡门涡街1.1.1卡门涡街LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity卡门涡街是流体力学中重要的现象，在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街1.1.1卡门涡街•卡门涡街视频•桥梁断面LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.1.2冯·卡门•冯·卡门（TheodorevonKármán１８８１—１９６３）是美藉匈牙利裔力学家，近代力学的奠基人之一，是我国著名科学家钱学森、钱伟长、郭永怀，以及美藉华人科学家林家翘在美国加州理工学院时的导师。•冯·卡门1881年5月11日出生于匈牙利布达佩斯•16岁的冯·卡门在1898年11月进了布达佩斯皇家工学院•1906年去德国哥廷根（Göttingen）大学求学，师从普朗特（LudwigPrandtl1875-1953）教授。•第一次世界大战期间，冯·卡门应召为奥匈帝国服务4年。战后曾任匈牙利苏维埃共和国教育部大学副部长。•后他又回到德国亚琛工学院任教，担任亚琛空气动力学研究所所长。•1929年底起定居美国,任加州理工学院古根海姆空气动力学实验室主任。•后来建立了美国火箭技术中心——喷气推进实验室LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.1.2冯·卡门•作为德国亚琛工学院空气动力学研究所和美国加州理工学院古根海姆空气动力学实验室的领导，带领了两代科学家和工程师进入了科学技术的前沿领域，为航空和航天工程奠定了坚实的科学基础。冯·卡门培育出了大批杰出的人才,他的学生遍及五大洲，被誉称为“卡门科班”。LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.2涡激振动1.2.1涡激振动•风流经钝体结构时会在结构的两侧产生不对称的旋涡脱落，使结构表面受到周期性的正负压力，在一定风速下结构所受合力的频率与结构的自振频率一致，此时结构发生涡激共振。•涡激振动是一种简谐振动，其振动形式通常表现为横风向振动或扭转振动。•结构振幅较大时，结构的运动对气体的绕流形态产生反馈作用，使旋涡脱落频率在一定风速范围内和结构固有振动频率相等，即涡激共振的“锁定”现象。锁定现象增加了结构发生涡振的机率，增强了三维结构上的涡激力的相关性。•涡激振动是一种限幅振动，对结构的质量和阻尼较为敏感，当结构质量和阻尼均较小时，涡激共振振幅可能很大。•涡激振动常发生在较低风速下，出现频度较高，易使结构构件产生疲劳破坏、人感不适、危及行车安全。LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.2.2圆柱涡激振动特点（与Re有关）•亚临界范围（3.0×102Re3.0×105)，旋涡以一个明确的频率周期性地脱落•在临界范围（3.0×105≤Re3.5×106)，旋涡被紊流所掩盖，涡脱杂乱无章•在超临界范围（3.5×106Re)，涡重新建立，涡脱重新出现周期性•不同雷诺数情况下的绕流形态不同，因而其旋涡脱落的频率及作用在结构上的气动力也不同•其它钝体，如方形，矩形或各种桥面都有类似的旋涡脱落现象，当钝体截面受到均匀流的作用时，截面背后的周期性旋涡脱落交产生周期性变化的空气作用力——涡激力，当其频率与结构频率一致时，将发生涡激共振。LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.2.2圆柱涡激振动LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversityUfdSt1.2.3Strouhal数及“锁定”现象•当被绕流的物体不是固定不动的，而是一个振动体系时，周期性涡激力将引起体系的涡激共振，结构的振动对旋涡的脱落产生一种反馈作用，使旋涡脱落频率在一定的风速范围内被“俘获”，即在该风速范围内物体的固有频率控制了涡脱的频率，从而产生了一种“锁定”现象。•在锁定区内，涡脱频率不再服从Strouhal关系式，而是保持固有频率值不变。•在锁定区，物体振幅可达到结构横风向尺寸的几分之一。1）Strouhal数的影响因素截面形状雷诺数(对于钝体断面,影响比较小)2）圆柱的Strouhal数St=0.21.2.4易发生涡激振动构件1）主梁（西堠门）2）桥塔（钢桥塔）3）吊杆（系杆拱吊杆，H型）LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.3涡激振特点•是一种较低风速区发生的有限振幅振动•只在某一风速区域内发生•最大振幅对阻尼有很大的依赖性•断面形状的微小变化对响应很敏感•涡激振动可以激起弯曲振动，也可以激振扭转振动•主梁、桥塔、斜拉索及吊杆均会发生涡振181.3.1主梁涡振实例成桥后的振动实例191.3.1主梁涡振实例成桥后的振动实例201.3.2金门桥主梁涡振211.3.2金门桥主梁涡振22•1938.2强烈西风行走困难桥梁摇晃•未作观测渐渐忘却（Tacoma垮桥）•1941.2.1瞬时风速27m/s持续3小时•水平攻角45°风攻角0°•横向变位1.5m竖向频率0.125Hz•最大弯曲位置L/4振幅60cm•无扭转振动记录•原因Tacoma桥板梁桁架化抗风措施•金门桥桁架开孔率25﹪•斜风导致实际开孔率下降？1.3.2金门桥主梁涡振23•桥轴方向序号风向风速m/s振幅cm•NW10°1近桥轴SW12°22.255•2近垂直桥轴W4.455•3近垂直桥轴SW75°20.03114.3•4近桥轴31.1530•否定“斜风导致实际开孔率下降导致振动”的假定•1950.6.6西风风速20.03~24.92m/s振幅114.3cm•短时反对称一次扭转振动出现1.3.2金门桥主梁涡振24•1951.12.1•西风风速30.08m/s振幅335cm•南希·肯特小姐的故事•下午和朋友乘车过桥，经过南塔后遭遇强风•左打右转方向，汽车倒退不前，桥上已看不见其他车辆•想起了Tacoma桥，当车开过北塔到达北岸•看到了等候过桥的长长的车队•金门桥开通14年来，首次封闭交通2小时50分1.3.2金门桥主梁涡振1.3.3大海带桥涡振DragcoefficientCriticalwindspeedVortexinducedresponseSec.12214.514.614.714.814.91515.115.215.315.415.500.20.40.614.514.614.714.814.91515.115.215.315.415.5-0.6-0.4-0.200.20.40.6Time[min]1.3.3大海带桥涡振ModeshapeEventno./(frequency)Maximumamplitude(m)Non-dim.windspeedU/fB4,10(0.130Hz)0.26,0.321.5,1.21,2,3,5,9(0.209Hz)0.23,0.18,0.29,0.14,0.301.3,1.0,1.4,1.2,1.06,7,8(0.242Hz)0.20,0.22,0.19,1.2,1.2,1.01.4.1涡振力模型1）升力振子模型LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.4涡激振动估算2)涡振力模型-经验线性模型LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.4.2涡激共振风速估算BfUhcvh0.2BfUtcv33.1竖向涡激共振发生风速扭转涡激共振发生风速对于一般钝体断面的构件,可以用下式估算tSdfU1.4.3涡振振幅估计1.4.4实腹式桥梁断面涡激共振振幅估算prtcIEE2BmEEhhrthhc2tacbf/28.2][1)竖向涡激共振振幅2)扭转涡激共振振幅4)扭转涡激共振允许振幅3)竖向涡激共振允许振幅hacfhh/04.0][1.4.4实腹式桥梁断面涡激共振振幅估算桥梁名称主梁等效涡振容许应力（KPa）主梁材料弯曲容许应力[]（KPa）等效涡振容许应力幅值比(%)南京长江三桥19612.5210×1039.3江海直达桥方案I19119.0210×1039.1江海直达桥方案II19447.3210×1039.3aW1b1b1W1a5)主梁涡振振幅对应的应力351.4.5桥塔和高墩涡振桥塔切角或附加气动装置抑制驰振或涡激共振气动措施不能满足抗风要求时，可采取阻尼装置或主动控制装置361.4.5桥塔和高墩涡振/驰振1)桥塔涡激振动371.4.5桥塔和高墩涡振/驰振德国罗德曼桥塔的驰振/涡振破坏381.4.5桥塔和高墩涡振2）桥塔涡激振动减振391.4.5桥塔和高墩涡振2）桥塔涡激振动减振401.4.5桥塔和高墩涡振3）桥塔制振措施LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.4.5桥塔和高墩涡振4）桥塔涡振的振幅允许值桥梁名称控制截面允许最大振幅（m）钢塔柱高（m）允许幅高比（%）南京长江三桥钢塔段底部截面0.215178.6820.1203江海直达桥方案I钢塔段底部截面0.1321020.1294江海直达桥方案II钢塔段底部截面0.135108.50.1244明石海峡大桥—0.30282.80.1061allowA[]0.12%taAAHLiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.4.6拉索和吊杆涡振/驰振LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.4.6拉索和吊杆涡振/驰振1）拉索振动LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity2）拉索振动机理1.4.6拉索和吊杆涡振/驰振451.4.6拉索和吊杆涡振/驰振拉索振动的机理461.4.6拉索和吊杆涡振/驰振拉索风雨振尾流驰振LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity2）拉索振动机理1.4.6拉索和吊杆涡振/驰振481.4.6拉索和吊杆涡振/驰振3)拉索减振措施辅助索或联结器拉索的表面附加凸起、卷缠螺旋线、表面加工或改变断面形状、涂料设置阻尼装置491.4.6拉索和吊杆涡振/驰振（1）辅助索----名港西大桥501.4.6拉索和吊杆涡振/驰振（1）辅助索----柜石岛和岩黑岛桥511.4.6拉索和吊杆涡振/驰振拉索间的联结器和辅助索521.4.6拉索和吊杆涡振/驰振（2）气动外形--拉索间的联结器拉索的表面凸起531.4.6拉索和吊杆涡振/驰振（2）气动外形----拉索的表面加工541.4.6拉索和吊杆涡振/驰振明石海峡大桥吊杆上的螺旋线55招宝山大桥安庆大桥济南纬六路跨线桥济南纬六路跨线（三角支架减振器）（斜支架减振器）招宝山大桥安庆大桥白沙洲大桥1.4.6拉索和吊杆涡振/驰振（3)附加阻尼-----粘性剪切型阻尼器561.4.6拉索和吊杆涡振/驰振（3）附加阻尼MR磁流变阻尼器1.5涡激振动制振措施结构的截面尺寸已定，降低涡激共振振幅的办法如下：–提高阻尼，如在桥梁的跨中安装TMD；–空气动力措施---采用附加整流板（Fairing）。加拿大Longs-creek桥的对比试验是十分成功的实例；日本对倒T型箱形截面采用折翼板和对流线形扁箱采用扰流板的方式都是成功的实例。5859600,000,0