悬索桥吊索多索股尾流致振特征及其控制措施研究

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随着悬索桥主跨的不断增大,其吊索长度不断增长。大跨度悬索桥吊索自重轻、柔度大、阻尼低,极易在多种激励下发生各种类型的振动。近年来国内外多座主跨超过1500米的悬索桥吊索观测到大幅振动,由于对其机理缺乏充分认识,难以及时提出有针对性的振动控制措施,严重影响吊索甚至全桥的安全。我国西堠门大桥吊索观测资料表明:吊索索股间气动干扰引发的尾流致振是吊索发生大幅振动的重要原因。为此,本文从理论分析、风洞试验以及现场实测三方面,研究了吊索尾流致振的振动特性和机理,以及多种控制措施对吊索尾流致振的抑振效果,主要工作内容和成果如下:
  (1)建立了悬索桥吊索尾流致振二维非定常理论模型,并与传统准定常理论模型进行了对比研究,提出了悬索桥吊索尾流致振机理。采用强迫振动装置,进行了下游索股气动导数识别风洞试验,得到了双索股吊索下游索股气动导数的空间分布,确定了下游索股非定常气动力。在此基础上,推导建立了吊索下游索股顺风向和横风向运动微分方程,采用Runge-Kutta方法对方程组进行数值求解,得到了悬索桥吊索尾流致振响应特性,并对其机理进行研究。比较了准定常和非定常理论模型结果,检验了准定常方法在尾流致振研究中的适用性。基于准定常理论模型,研究了平行钢丝与钢丝绳吊索的尾流致振响应差异,探究了来流湍流度对悬索桥吊索尾流致振的影响规律。研究结果表明:悬索桥吊索尾流致振由气动负刚度驱动;准定常理论模型可以反映吊索尾流致振的主要特征;钢丝绳吊索的尾流致振稳定性比平行钢丝更好;湍流度对吊索尾流致振影响不大。
  (2)建立了悬索桥吊索尾流致振三维连续弹性吊索理论模型。采用准定常方法,以二维理论模型为基础,推导了悬索桥吊索尾流致振三维连续弹性吊索运动偏微分方程,采用差分方法对运动方程进行求解。以西堠门大桥2号吊索结构参数为背景,研究了吊索尾流致振响应特征,分析了平均风速剖面、吊索表面粗糙度、自重、阻尼比、上游索股运动等对吊索尾流致振的影响规律。结果表明:吊索发生尾流致振区域主要集中在0.25≤Y≤1.75,最大振幅可达1.7D左右;吊索自重沿索高度方向分布引起的静张拉力对吊索的尾流致振影响较小,可忽略不计;增加结构阻尼对吊索尾流致振影响有限;上游索股的运动对下游索股尾流致振影响明显。
  (3)进行了悬索桥吊索尾流致振三维全气弹模型风洞试验。提出了一种长吊索三维全气弹模型设计新方法,解决了吊索超大长细比带来的气弹模型设计难题,可模拟除雷诺数以外的所有相似关系。采用西堠门大桥吊索结构参数,设计并制作了悬索桥吊索三维全气弹模型,进行了双索股吊索气弹模型风洞试验,得到了双索股吊索尾流致振响应规律。采用试验方法研究了增加结构阻尼、螺旋线及分隔架三种措施对吊索尾流致振的控制效果。结果表明:在试验风速(3~14m/s)内,下游索股均观测到了明显振动,且随着风速的增大,下游索股的尾流致振不稳定区域呈现增大趋势;索股间安装分隔架可以很好的抑制吊索尾流致振。
  (4)采用理论方法研究了粘滞阻尼器、粘滞惯性阻尼器以及分隔架措施对悬索桥吊索尾流致振的控制效果。结果表明:索端粘滞阻尼器和粘滞惯质阻尼器均不能完全抑制吊索尾流致振;相比较于弹性分隔架和阻尼型分隔架,刚性分隔架对吊索尾流致振的控制效果最佳。
  (5)研究了西堠门大桥四索股吊索尾流致振响应规律和控制措施。西堠门大桥吊索的现场实测数据表明,多索股间的气动干扰引发的尾流致振是吊索振动重要原因。以西堠门大桥吊索为工程背景,采用本文提出的理论模型以及风洞试验方法,研究了西堠门大桥四索股吊索尾流致振响应特征,研究了增加结构阻尼、分隔架等措施对吊索尾流致振的控制效果,并与现场实测结果进行比较研究。结果表明:理论分析和风洞试验均较好的重现了西堠门吊索的尾流致振现象,验证了吊索尾流致振的起振机理;分隔架可有效抑制西堠门大桥吊索尾流致振。
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