大跨度桥梁颤振研究现状.docx

大跨度桥梁颤振研究现状摘要：对于大跨度桥梁颤振是必须要考虑的问题。为了避免这一失稳现象国内外一些学者研究了一些理论及方法。其主要有以下三方面：第一方面是以计算流体力学（CFD）为基础对桥梁颤振风场特性进行研究；第二个方面以二维颤振分析方法为手段重点研究桥梁颤振机理、颤振形态、自由度参与程度以及各种断面的气动性能；第三方面以三维颤振分析为手段重点研究颤振发生时的模态参与作用、气动耦合等因素的影响。[关键词]风场模拟；颤振导数识别；静风失稳1研究背景桥梁跨度大幅度增长带来的主要问题是结构刚度急剧下降导致风致振动对桥梁的安全性、舒适性以及耐久性影响更加显著。桥梁是处于大气边界层中的结构物在自然风的作用下将产生振动响应甚至造成结构毁坏、疲劳或过大变形及内力等问题。1940年秋美国华盛顿州建成才4个月的TacomaNarrows悬索桥在不到2Om/s的8级大风作用下发生强烈风致振动而破坏。Tacoma桥风毁事故震惊了桥梁工程界成为现代桥梁抗风研究的起点[1]。风的动力作用激发了桥梁风致振动而振动起来的桥梁又反过来影响空气的流动改变空气作用力形成风与结构的相互作用机制。当空气力受结构振动的影响较小时空气作用力作为一种强迫力导致桥梁结构的有限振幅强迫振动主要包括桥梁抖振和桥梁涡振；当空气力受结构振动的影响较大时受振动结构反馈制约的空气作用力主要表现为一种自激力可能导致桥梁结构的发散性自激振动主要包括桥梁颜振和涡激共振。桥梁结构风荷载及其效应分类可以用图1来表示[2]。2古典藕合颤振理论1935年Theodorson基于势流理论与平板机翼气动力率先得到了薄平板上的非定常气动力的解析表达式。1948年Bleich首次运用了这一公式来解决悬索桥析架加劲梁的颤振分析。不久他发现根据此公式得到颤振临界风速远高于塔克马桥实际破坏风速。因此他修正了Theodorson公式采用了逐次逼近法建立了悬索桥颤振分析方法。1967年Thiele和Kl?ppel提出一种变系数的图解法并绘制了诺漠图。1976年VanderPut在Kl?ppel和Thiele诺漠图方法的基础上忽略结构阻尼的影响提出了平板祸合颤振临界风速的近似公式[3]。3分离流颜振理论以Theodorsen平板颜振理论为基础Bleich悬索桥顾振分析方法忽视了流动的分离正如Pugsley早先所预见的那样如果将来能够用由试验方法确定的气动参数来代替Theodorsen解析表达式可能会从根本上解决这个问题[4]。尽管他的预言是完全正确的但是20世纪60年代后期英国Seven桥和丹麦Lilleb?lt桥的建设成功使得流动分离观象不太严重的流线型扁平箱梁变得非常普及因而以Theodorsen平板颜振理论为基础的Bleich悬索桥颜振分析方法还是具有一定的精度。但是当气流绕过振动着的非流线型截面时迎风面的棱角处气流将发生分离同时产生旋涡脱落也可能发生再附其流态十分复杂从理论上讲简单地采用Theodorsen表达式已经不能描述气流作用在非流线体上的非定常气动力。4三维颤振分析方法Scanlan提出的非定常气动力计算模型较好地解决了非流线型截面的非定常气动力的描述问题。其中二维颤振分析最为简单实用。但是随着桥梁跨跨径的日益增大结构刚度急剧下降特别侧向刚度的下降导致侧弯与扭转振型的紧密耦合。此外结构各阶自振频率的差异也越来越小两个或两个以上的振型参与颤振的可能性逐渐增加因此为了提高颤振分析的精度把二维理论推广到三维成了必然趋势。国内外许多学者提出了各种颤振频域分析方法大致可以分为以下两种类型。第一类为模态叠加法基于结构的固有模态坐标把结构啊应看作是分散在各阶模态上的影响然后将各阶模态所对应的啊应叠加起来。第二类为直接计算法将频域内的非定常气动力直接作用到结构有限元计算模型上进行计算。模态叠加法是在结构动力特性的基础上人为选择几阶对颤振贡献较大的模态进行多模态颤振分析所以又称为多模态颤振分析方法。Agar和Beith将系统颤振运动方程转化为一种不对称实矩阵的特征值问题进行求解。中国的谢雾明、项海帆较早注意到大跨度斜拉桥多模态藕合颤振的特点并提出了多模态颤振分析的状态空间法在该方法中首次采用了有限元方法。陈政清提出了桥梁三维颤振分析的多模态参与单参数搜索M-S法的全域自动搜索方法。Jones等人又提出了直接利用行列式搜索法求解广义特征值问题丁泉顺提出了用于大跨度桥梁祸合颤振分析的多模态自动分析方法。从理论上讲任何结构动力学问题都可以采用频域方法或时域方法来进行求解。然而频域方法只适合线性、满足叠加条件的、小变形的结构动力学问题。而时域方法则可以充