大跨柔性桥梁高阶模态竖向涡振振幅预测方法研究

摘要

涡激共振是一种很容易在较低风速下发生的非线性风致振动病害，过大的振幅容易引起结构疲劳及舒适性问题。大跨度柔性桥梁特别是柔性悬索桥频率密集，阻尼比具有随模态频率升高而降低的趋势，因此其高阶模态更容易发生涡激共振。在相同振幅条件下，高阶模态涡振加速度响应比低阶模态大，对桥梁的危害更大，准确预测大跨柔性桥梁高阶竖弯模态涡激振动并对其进行控制已经成为广大学者和工程师普遍关心的问题。本文以大跨柔性桥梁高阶竖弯模态涡激振动为背景，围绕高阶模态的参数识别、非线性涡激力特征、气动力展向相关性以及高阶模态涡振振幅预测方法等问题开展研究，主要进行了以下几个方面的研究：
　　（1）开展了大跨桥梁高阶模态参数识别方法研究。通过数值分析验证了基于环境振动试验、自由振动试验和强迫振动试验的几种常见参数识别方法识别高阶模态参数的可靠性和适用性。提出了基于解析模式分解的随机减量法，改善了随机减量法不能有效处理频率密集且模态能量差异大的信号的缺陷，提高了高阶模态识别结果的可靠性。提出了基于附加振子的模态参数识别法，解决了常规方法无法识别模态质量的问题。
　　（2）为了预测大跨桥梁高阶竖弯模态涡激振动，系统阐述了基于简谐力模型、基于随机振动模型和基于能量原理的柔性结构涡振振幅预测方法和节段模型涡振振幅计算方法。以简谐函数模态振型为例，研究了展向相关性和模态振型对柔性桥梁高阶模态涡振振幅的影响特征。通过已有节段模型和气弹模型试验结果检验了各方法的可靠性。
　　（3）从理论上推导了钝体断面气动力展向相关性函数并通过节段模型试验对其进行了验证。假设运动诱发气动力完全相关，卡门涡脱气动力按指数函数相关，推导出指数加常数型相关性函数。通过高宽比1：5矩形断面节段模型竖向和扭转强迫振动风洞试验，分析了气动力成分、能量比和频率特征，分析了竖向振动和扭转振动的气动升力和气动力矩的展向相关性，验证了展向相关性函数的正确性。通过节段模型弹性悬挂颤振试验，验证了自激力展向相关性特征。
　　（4）通过高宽比1：5矩形断面节段模型同步测振和测压涡激振动风洞试验，分析了涡振锁定区间内气动力特征、气动力展向相关性、气动力与位移相位差以及气动力做功特征。在锁定区间内，气动升力随着涡振振幅增大而减小，气动力与位移之间的相位差随着涡振振幅增大而增大。
　　（5）开展了节段模型涡振风洞试验的影响因素分析。在回顾已有节段模型涡振风洞试验结果不一致现象的基础上，通过1:5矩形断面节段模型重点研究了端部条件和模型展弦比对节段模型涡振振幅的影响。结果表明，节段模型展弦比小于2倍端部影响区间时，截面上气动力非均匀分布且加剧减小，导致涡振振幅减小，不能有效反映真实的涡振特征。在主梁节段模型设计时，应合理设计端板并采用大的模型展弦比。
　　（6）针对多点弹性支撑连续梁气弹模型参数优化设计，提出了一种基于离散振动方程的模型参数优化新方法。通过数值仿真验证了该方法的有效性，通过两座不同特点的悬索桥多点弹性支撑连续梁气弹模型参数设计验证了该方法在实际工程应用中的可行性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1大跨桥梁涡激振动

1.2高阶模态涡激振动

1.3结构模态特征

1.4本文主要内容

第2章 桥梁高阶模态参数识别方法及其验证

2.1引言

2.2结构模态参数定义

2.3基于解析模式分解的随机减量技术

2.4基于附加振子的参数识别

2.5基于频响函数的模态参数识别方法

2.6数值仿真验证

2.7小结

第3章 柔性结构涡振振幅预测方法

3.1引言

3.2柔性结构涡振振幅预测方法

3.3节段模型涡振振幅

3.4柔性桥梁高阶模态涡振振幅预测

3.5预测方法检验

3.6小结

第4章 气动力展向相关性建模与测试

4.1引言

4.2气动力展向相关性函数建模

4.3风洞试验概况

4.4气动力特征

4.5气动力展向相关性

4.6展向相关性函数检验

4.7自激气动力展向相关性

4.8小结

第5章 涡振锁定区间内气动特征

5.1引言

5.2涡激振动风洞试验

5.3气动力特征

5.4气动力展向相关性

5.5气动力做功特征

5.6考虑实测气动力相关性的涡振振幅预测方法检验

5.7小结

第6章 节段模型涡振试验影响因素分析

6.1引言

6.2节段模型涡振振幅计算

6.3端部条件和展弦比效应

6.4试验设计与数据处理

6.5端部效应分析

6.6展弦比效应

6.7端板和展弦比对涡振的影响

6.8小结

第7章 多点弹性支撑连续梁气弹模型参数设计

7.1引言

7.2涡激振动试验方法

7.3多点弹性支撑连续梁气弹模型

7.4基于连续振动方程的参数优化

7.5基于离散振动方程的参数优化

7.6工程实例应用

7.7小结

总结与展望

主要结论

主要创新点

工作展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文