旧Tacoma桥风振过程及演化机理初探

摘要

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（oldTacoma 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?1.20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 *2A 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。

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