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作者：张云圆华北水利水电大学

学位级别：硕士

本论文首先介绍了桥梁抗风的发展历史和自激力的研究现状,随后基于CFD数值模拟对所选择的计算参数进行计算的合理性验证。通过分析桥梁断面上非线性自激力的高阶项与振幅、频率之间的关系,以及断面上旋涡的移动演化对桥梁上非线性自激... 详细信息

本论文首先介绍了桥梁抗风的发展历史和自激力的研究现状,随后基于CFD数值模拟对所选择的计算参数进行计算的合理性验证。通过分析桥梁断面上非线性自激力的高阶项与振幅、频率之间的关系,以及断面上旋涡的移动演化对桥梁上非线性自激力的影响,结合现有的运用在桥梁上的非线性自激力模型和运用在航空方面的非线性气动力模型,以Scanlan模型为基础提出描述流场迟滞特性的非线性非定常自激力模型。给出参数识别的方法,实现了大振幅条件下桥梁断面自激气动力的准确描述,弥补了传统自激力表达式的不足,也为气动力的迟滞现象给出了科学的表达方式。本文主要工作有:(1)在进行数值模拟计算时,CFD计算参数选择SST k-ω模型、SIMPLEC算法、两阶迎风格式,通过网格的独立性验证、时间步长独立性验证,选取到合适的计算网格以及计算步长。计算流线型箱梁断面以及钝型箱梁断面的三分力系数,来验证所选取的计算参数对于桥梁静止绕流时是否合理。计算薄平板断面颤振导数来验证选取的计算参数对于断面强迫振动时是否合理。(2)研究自激力非线性的宏观特征:通过计算薄平板断面的非线性颤振导数来分析颤振导数与振幅的关系。利用FFT变换,对振幅与频率对于自激力高阶项的影响进行讨论。通过DVV算法对振幅与自激力非线性程度之间的联系进行了讨论。以流线型箱梁断面和钝型箱梁断面为例进行自激力非线性度的计算。发现流线型箱梁断面与钝型箱梁断面的非线性度均存在一个临界值,振幅越过这个临界值后时程曲线会出现明显的非线性。为后续新的非线性自激力模型的建立提供改进思路。(3)研究自激力非线性的细观特征:将流线型箱梁断面划分为16个区域,并计算这些区域的自激力系数。通过时频分析找到自激力中高次谐波分量的时间属性,结合桥梁断面表面的压力系数演化过程和流场特征,对模型表面上旋涡的产生、分布、运动状态等进行了观察。分析自激力非线性特征与这些现象之间的联系,给出自激力非线性产生的原因。(4)基于分析的自激力非线性特征,结合现有的非线性自激力模型,建立了一阶微分方程来描述流场迟滞特征的非线性自激力模型。通过泰勒级数展开,将基于流场迟滞特征的非线性非定常自激力的模型表述为与运动状态以及无量纲时间参数的函数形式。给出模型参数辨识的方法,并对模型的适用性进行了分析。

关键词：大跨度桥梁非线性自激力时频分析流场特征非线性度

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大攻角下超大跨度斜拉桥颤振性能节段模型风洞试验

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中国公路学报 2019年第10期32卷 67-74页

作者：朱青陈文天朱乐东崔译文同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092 同济大学桥梁工程系上海200092 同济大学桥梁结构抗风技术交通行业重点实验室上海200092

为了研究一座1400m跨径流线型闭口箱梁断面斜拉桥的颤振性能,根据其风致静力失稳或颤振前主梁最大有效风攻角已接近±10°的特点,通过弹簧悬挂节段模型试验,开展了大攻角下桥梁颤振性能研究。试验发现,在4°~10°风攻角下,高风速时模型... 详细信息

为了研究一座1400m跨径流线型闭口箱梁断面斜拉桥的颤振性能,根据其风致静力失稳或颤振前主梁最大有效风攻角已接近±10°的特点,通过弹簧悬挂节段模型试验,开展了大攻角下桥梁颤振性能研究。试验发现,在4°~10°风攻角下,高风速时模型均出现了弯扭耦合程度较弱的自限幅非线性颤振现象;而在其他攻角下,高风速时模型则表现为常规的发散型弯扭耦合颤振。研究发现,经典的线性颤振理论无法适用于研究试验中大攻角下出现的非线性颤振现象。因此,采用了一种简化的非线性半经验数学模型来表示非线性颤振中的自激扭矩,并从试验模型颤振位移时程中识别得到了模型参数。基于这一非线性自激力模型,通过试验测得的位移信号来构造自激扭矩时程,再利用自激扭矩的做功时程来识别各个气动参数。之后,利用其中的部分气动参数构造气动阻尼,并基于结构阻尼系数与气动线性阻尼系数之和为零的判断条件,提出了一种针对非线性颤振现象的临界风速确定方法,同时将线性和非线性颤振的起振判断条件进行了很好的统一。研究结果表明,利用这一方法求得的颤振临界风速与风洞试验中出现的现象基本吻合。

关键词：桥梁工程颤振临界风速节段模型风洞试验超大跨度斜拉桥非线性自激力大攻角

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典型桥梁断面软颤振现象及影响因素

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同济大学学报（自然科学版） 2015年第9期43卷 1289-1294,1382页

作者：朱乐东高广中同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092 同济大学土木工程学院上海200092 同济大学桥梁结构抗风技术交通行业重点实验室上海200092

采用弹簧悬挂节段模型测振的试验方法研究了常用的全封闭箱梁断面、中央开槽箱梁断面、半封闭箱断面和双边肋断面等4种典型桥梁断面可能出现的软颤振响应.试验结果表明:上述4种断面均可能出现不同尺度的软颤振现象,软颤振表现为弯扭自... 详细信息

采用弹簧悬挂节段模型测振的试验方法研究了常用的全封闭箱梁断面、中央开槽箱梁断面、半封闭箱断面和双边肋断面等4种典型桥梁断面可能出现的软颤振响应.试验结果表明:上述4种断面均可能出现不同尺度的软颤振现象,软颤振表现为弯扭自由度耦合的单频振动特征,其耦合程度不仅会随着风速的变化而变化,而且会随着断面流线性变好而增加;流线性较差的钝体断面的软颤振风速区间往往很宽.桥面附属结构会增强软颤振响应,而改变结构阻尼对软颤振稳定振幅的影响并不明显.

关键词：典型桥梁断面软颤振弯扭自由度耦合非线性自激力

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振幅对5:1矩形断面非线性自激气动力的影响

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西南交通大学学报 2019年第2期54卷 249-259页

作者：林思源廖海黎王骑熊龙西南交通大学土木工程学院四川成都610031 风工程四川省重点实验室四川成都610031

宽高比为5∶1矩形断面的非线性自激气动力研究作为钝体空气动力学的基础性和前沿性研究,对钝体断面的非线性气动弹性行为分析有着重要的意义.采用节段模型强迫振动风洞试验,结合模型表面同步测压技术,分析了振幅对宽高比为5∶1矩形试验... 详细信息

宽高比为5∶1矩形断面的非线性自激气动力研究作为钝体空气动力学的基础性和前沿性研究,对钝体断面的非线性气动弹性行为分析有着重要的意义.采用节段模型强迫振动风洞试验,结合模型表面同步测压技术,分析了振幅对宽高比为5∶1矩形试验断面自激气动力频谱特性和表面压力分布特性的影响,并借助本征正交分解分析了模型表面压力的模态特征函数,进而探讨了非线性气动力产生的流动机理.试验及分析结果表明:5∶1矩形断面自激气动力的高次谐波分量仅在振幅不小于8°的扭转运动下显著,但线性分量随着振幅增加呈非线性变化;在竖向运动或在小于8°的扭转运动下,模型表面分离再附点位置靠近后缘且在一个周期内保持稳定,对应的压力模态为一阶对称分布,表明此时气动力仅由单一频率的主涡决定;在大于等于8°的扭转运动下,一个周期内模型表面的分离再附点位置主要集中在前缘,对应的压力模态中也同时出现了对称分布的第1阶和反对称分布的第2和第3阶,表明此时出现了多个不同频率的主要旋涡,而频率高于运动频率的二次涡主导了高阶模态,并由此产生了气动力的高次谐波分量.

关键词：矩形断面振幅非线性自激力本征正交分解二次涡

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旧Tacoma桥风振过程及演化机理初探

旧Tacoma桥风振过程及演化机理初探

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作者：张靖西南交通大学

学位级别：硕士

随着科技的进步及人类的需求,桥梁工程一定会朝向特大跨度和超大跨度方向发展,桥梁抗风设计必然会成为桥梁建设过程中最为关键的环节之一。而旧塔科马海峡大桥(old Tacoma Narrows Bridge)的风毁事故作为桥梁抗风领域最重要的事件,对其... 详细信息

随着科技的进步及人类的需求,桥梁工程一定会朝向特大跨度和超大跨度方向发展,桥梁抗风设计必然会成为桥梁建设过程中最为关键的环节之一。而旧塔科马海峡大桥(old Tacoma Narrows Bridge)的风毁事故作为桥梁抗风领域最重要的事件,对其透彻的研究是必要的。因此本文旨在更为精细地研究旧Tacoma桥的风振过程和演化机理。本文的主要工作包括:(1)本文在整理了前人对与旧Tacoma桥类似的H型断面的大量研究工作的基础上利用精细化的模型断面与前人较为常用的宽高比B/H=5:1的H型断面进行了比较。试验得到的Strouhal数和颤振临界风速较H型断面更接近实桥。同时本文研究了不同扭弯频率比对振动过程的影响,发现当ε(27).120时,模型会发生与旧Tacoma桥同样的风毁过程,并且复现了旧Tacoma桥的整个振动过程。发现了竖向振动抑制扭转振动的现象,并通过设计单自由度扭转试验得以证明。(2)通过强迫振动试验,识别了旧Tacoma桥断面低风速下的颤振导数,利用颤振临界风速计算方法得到了与自由振动试验同样的颤振临界风速,验证了颤振导数的正确性。明确了大桥颤振失稳的主要原因是颤振导数A由负变正引起的。(3)通过非线性自激力理论,分析了升力矩中一次项和三次项成分。利用迟滞环理论研究了气动力在一个振动周期内的作功情况,解释了旧Tacoma桥“软颤振”现象的气动机理。通过功能等效的方式,考虑了包括三次力矩项气动阻尼在内的扭转牵连运动气动阻尼,解释了竖向振动抑制扭转振动的气动机理。

关键词：旧塔科马海峡大桥风洞试验颤振非线性自激力气动阻尼

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