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原文传递大跨度柔性桥梁双索股尾流驰振机理研究

论文题名：	大跨度柔性桥梁双索股尾流驰振机理研究
关键词：	大跨度柔性桥梁;吊索索股;尾流驰振;气动导数;失稳机理
摘要：	近30年来，国内外桥梁工程经历了前所未有的高速发展。大跨度柔性桥梁（悬索桥和斜拉桥）的跨径越来越大，作为该类型桥梁主要传力构件的吊（拉）索的长度也变得越来越长。由于吊（拉）索具有自重轻、柔度大、阻尼低的特点，极易发生各类风致振动。国内外已有多座缆索承重桥梁发生吊（拉）索的大幅风致振动现象，如跨径排名世界前三的日本明石海峡大桥、我国舟山西堠门大桥及丹麦大海带东桥均有类似风致振动的报道。这些风致振动会加剧结构的疲劳破坏，并引起使用者的恐慌，增加交通隐患。　　悬索桥吊索风致振动的机理可能有多种，本文针对吊索索股之间的气动干扰进行研究。依据多索股吊索在起振初期，迎风索股基本不动，其余索股相继振动的现象，将多索股之间的起振机理研究模型简化为迎风索股与尾流索股之间的双索股作用模型，这一模型也适应于两并列斜拉索的尾流驰振研究。主要研究内容如下: 　　(1)制作了双索股节段模型，进行了多工况的尾流索股风洞测力试验。得到了尾流索股的平均阻力系数CD、平均升力系数CL随前后索股相对位置的变化情况。以此为基础，采用Routh-Hurwitz判据研究了悬索桥吊索尾流索股发生尾流驰振的不稳定区间。结果表明:尾流索股的CD和CL分别关于尾流中心线正对称和反对称分布，并在距离尾流中心线约2倍直径范围内变化最为剧烈。尾流索股发生尾流驰振的失稳区间为条带状，宽约为1倍吊索直径，关于尾流中心线正对称分布。　　(2)在准定常假设的基础上，建立了悬索桥吊索尾流驰振理论分析模型。采用Runge-Kutta方法分析了尾流索股的响应。结果表明:①在尾流中心线上侧，尾流索股按顺时针方向运动，运动轨迹主轴与顺风向的夹角为钝角;在尾流中心线下侧，尾流索股按逆时针方向运动，运动轨迹主轴与顺风向的夹角为锐角。②在尾流驰振失稳区域上，索股的响应频率显著降低，表现出了显著的气动负刚度效应。③结构固有频率对索股尾流驰振影响显著。当结构两个方向上的频率相等且同时增加到一定程度时，可以有效抑制尾流驰振的发生;当两个方向频率不相等时，如果横风向频率不变而顺风向频率略为增加，尾流驰振的发生区域大幅缩小，且振动幅值有明显减小趋势。　　(3)采用一种基于物理内涵的气动力算法，定量研究了尾流索股所受气动力及其各分量的大小。结果表明:定常气动力要比气动刚度力大约一个数量级，气动刚度力比气动阻尼力约大一个数量级。气动刚度系数约为结构刚度系数的3％～10％，气动阻尼系数约为结构阻尼系数的5倍左右。　　(4)采用能量分析法研究了尾流驰振的失稳机理。结果表明:气动阻尼力及结构固有阻尼力所做的功都总为负。如果在同一个运动周期之内，气动刚度力所积累的正功与气动阻尼力及结构阻尼力所积累的负功大小相等，尾流索股将维持一个稳定极限环运动。　　(5)通过强迫振动装置风洞试验识别了尾流索股的气动导数，得到了尾流索股气动导数随无量纲风速的变化情况。结果表明，与位移相关的气动导数取得较大的正值，在尾流索股运动方程中移项后会变成较大的负刚度系数。试验结果验证了理论分析得到的气动刚度特性。
作者：	肖春云
专业：	土木工程（桥梁与隧道工程）
导师：	李寿英;陈政清
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文