桥梁风振专题PPT课件
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风振及风振控制-涡振PPT幻灯片课件
范围内和结构固有振动频率相等，即涡激共振的“锁定”现象。锁定现象增加了结构发
生涡振的机率，增强了三维结构上的涡激力的相关性。
• 涡激振动是一种限幅振动，对结构的质量和阻尼较为敏感，当结构质量和阻尼均较小时，
涡激共振振幅可能很大。
• 涡激振动常发生在较低风速下，出现频度较高，易使结构构件产生疲劳破坏、人感不适、
成桥后的振动实例
19
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.3.2金门桥主梁涡振
20
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.3.2金门桥主梁涡振
21
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.3.2金门桥主梁涡振
• 1938.2 强烈西风 行走困难 桥梁摇晃
•
未作观测 渐渐忘却（Tacoma垮桥）
• 1941.2.1 瞬时风速27m/s 持续3小5m 竖向频率 0.125Hz
•
最大弯曲位置 L/4 振幅 60cm
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
17
1.3.1 主梁涡振实例
成 桥 后 的 振 动 实 例
18
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.3.1 主梁涡振实例
1.2.1 涡激振动
•
风流经钝体结构时会在结构的两侧产生不对称的旋涡脱落，使结构表面受到周期性的
生涡振的机率，增强了三维结构上的涡激力的相关性。
• 涡激振动是一种限幅振动，对结构的质量和阻尼较为敏感，当结构质量和阻尼均较小时，
涡激共振振幅可能很大。
• 涡激振动常发生在较低风速下，出现频度较高，易使结构构件产生疲劳破坏、人感不适、
成桥后的振动实例
19
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.3.2金门桥主梁涡振
20
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.3.2金门桥主梁涡振
21
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.3.2金门桥主梁涡振
• 1938.2 强烈西风 行走困难 桥梁摇晃
•
未作观测 渐渐忘却（Tacoma垮桥）
• 1941.2.1 瞬时风速27m/s 持续3小5m 竖向频率 0.125Hz
•
最大弯曲位置 L/4 振幅 60cm
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
17
1.3.1 主梁涡振实例
成 桥 后 的 振 动 实 例
18
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.3.1 主梁涡振实例
1.2.1 涡激振动
•
风流经钝体结构时会在结构的两侧产生不对称的旋涡脱落，使结构表面受到周期性的
桥梁风振及其制振措施(PPT,17页)
主梁涡激振动 拉索风雨激振 桥塔涡激振动 主梁随机抖振
驰振 颤振
风振控制措施
颤振控制
驰振控制:
驰振和涡振控制
涡振控制: 提高结构阻尼比
施工时附加TMD、TLD或TLCD阻 尼器
风雨振控制
斜拉索表面制造成凹痕或螺旋线，可以减轻斜拉索风 雨振的程度。
加辅助索，预防拉索风雨振
机械减振措施
加阻尼器（如TMD，磁流变阻尼器）
TACOMA NARROWS BRIDGE
日本东京湾通道桥的涡激共振
主桥为10跨一联的钢箱梁连 续梁桥，最大跨度240m，宽 22.9m, 梁高6-11.5m。
在16-17m/s的风速作用下， 发生竖向涡激振动，跨中振幅 达50cD），涡激振动振幅只有 5 cm。
•驰振：细长结构因气流自激作用发生的纯弯曲大幅振动。如结 冰电线振动，塔柱、吊杆、拉索容易产生驰振形象。
•抖振：气流力受结构振动影响较小，气流力是一种强迫力，主 要是大气紊流导致结构强迫振动。
•涡振：大跨度桥梁在低风速下容易发生的一种 风致振动。
桥梁风振控制
绝对控制： 主梁风振失稳
尽量控制： 考虑控制：
•桥梁风振及其制振措施
Tacoma Narrows Bridge：位于美国华 盛顿州，1940年建成，三跨连续加劲 梁悬索桥，主跨853m，宽11.9m,加劲 梁为H型板梁，梁高2.45m。 建成4个月后，在18m/s的风速(8级)作 用下，发散振动持续70min。最后，吊 杆断裂，加劲梁坠落河中。 原因：颤振失稳。
斜拉索风雨振
日本名港西大桥（MeikoNishi）、洞庭湖大桥均实测到拉 索在风雨共存的条件下，发生风雨振。称为影响最大的一种桥 梁病害。
俄国伏尔加大桥“蛇形共振”
桥梁振动与抗震研究热点 ppt课件
0.1
1
5
周期 （秒）
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
弹塑性动力反应分析
背 景： 规范的变更、性能设计、市场竞争
政府导向： 今后，不掌握弹塑性动力反应计算 技术的咨询公司将面临生存危机
涉及范围： 钢筋混凝土结构 混凝土充填钢结构 土的液化、侧方流动 土与基础（包括地下结构）的相互作用
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
1999年土尔其、台湾地震
■西部地区特殊地形和地质条件下的桥梁抗震问题 ■中小地震引起的结构损伤积累
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
本讲座的内容提要
■典型桥梁震害 ■桥梁设计方法与规范 ■弹塑性动力反应分析 ■最新实验设备与技术 ■桥梁加固技术 ■新西兰模式 ■亚太地区其他国家的地震研究
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
日本运输省港湾技研水中振动台
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
日本建设省土木研究所混合振动台
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
日本大林组技研离心机振动台
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
桥梁抗震新规范的主要特点：
设计地震力提高
明确安全性能要求
强调结构的整体抗震性能
积极采用弹塑性反应方法 （包括静力法和动力法）
向性能设计过渡 提高透明度、明确责任
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
加速度反应谱（G）
3 2
1
1类场地（硬） 2类场地（中） 3类场地（软） 0.1
RC桥墩的弯剪破坏 制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
桥梁风振专题(学习课资)
公开课资
16
桥梁风振概述
公开课资
17
桥梁风振概述
加装风嘴、中央开槽、稳定板，使桥梁截面接近流线型， 避免或推迟漩涡脱落发生，增大竖向振动空气阻尼。
公开课资
18
桥梁风振概述
斜拉索表面制造成凹痕或螺旋线，可以减轻斜拉索风 雨振的程度。
公开课资
19
桥梁风振概述 •机械减振措施
加阻尼器（如TMD，磁流变阻尼器）。怎样达到很好的减 振效果？
公开课资15桥梁源自振概述桥梁风振的减振措施•空气动力学措施
引起桥梁振动的风荷载性质与桥梁外形有关。在不改变桥 梁结构与使用性能的前提下，适当改变桥梁外形或附加一些导 流装置，往往可以减轻桥梁风振。如：
加装风嘴、中央开槽、稳定板，使桥梁截面接近流线型， 避免或推迟漩涡脱落发生，增大竖向振动空气阻尼。
公开课资
6
桥梁风振概述 •斜拉索风雨振
日本名港西大桥（MeikoNishi）、洞庭湖大桥均实测到拉 索在风雨共存的条件下，发生风雨振。称为影响最大的一种桥 梁病害。
公开课资
7
桥梁风振概述
桥梁风振的主要形态
公开课资
8
桥梁风振概述
•气动弹性现象：气流中的弹性体发生变形或振动，从而改变气 流边界条件，引起气流力的变化，反过来又引起弹性体新的变形 与振动，这种气流力与结构相互作用的现象即为气动弹性现象。
•颤振：扭转发散振动或弯扭发散振动。如塔克马桥的桥面扭转 振动，飞机机翼振动
•驰振：细长结构因气流自激作用发生的纯弯曲大幅振动。如结 冰电线振动，塔柱、吊杆、拉索容易产生驰振形象。
公开课资
9
桥梁风振概述
•抖振：气流力受结构振动影响较小，气流力是一种强迫力，主 要是大气紊流导致结构强迫振动。
风振及控制6-颤振PPT课件
当结构发生振动时，由于周围的绕流受结构变位的干扰而发生变化，导致 作用在结构上的空气力也随时间发生变化。这种作用力由于是伴随结构振动产生 的，称为自激气动力，它是非定常气动力的主要形式。
（1）Theodorson平板空气力公式
1935年，Th. Theodorson首先从 理论上研究了薄平版的非定常气动 力。他根据流体力学势流理论求得 了作用于振动平板上的非定常气动 力的解析表达式。对于图示二维理 想平板，在均匀水平流场中作微小 振动时所受到的非定常空气升力和 力矩可表达为：
v
C(k)为Theodo函rs数 on， 当用 Bes函 sel数表示时
CkF(k)iG(k)
典型断面颤振导数曲线
典型断面颤振导数曲线
2.3桥梁颤振计算理论的发展
1948年Bleich 第一次用Theodorson 的平板空气公式来解决悬索桥的颤振分析。 他认为在悬索桥中常用的桁架加劲梁的上承桥面接近于一块平板，此时悬索桥的 二维颤振微分方程可以写成：
L2bv2C(k)hv[1C(k)]b2v
M2b2v2C(k)hv[1C(k)]b2v
式中
——空气密度； b——平板的半宽度； v——空气流速； h和分别为截面的竖向和扭转位移；
k b 为折算频率，为圆频率；
1V2B 2
LVC
M12V2B2LCM
式中：为空气密度，H为梁高，B为梁宽，L为长度，
1 V 2 2
为气流的动压。CH、CV、CM分别为主梁的阻力系数、升力
系数、力矩系数。
三种典型断面的三分力系数曲线
dCL 0, dCM 0是空气动力稳定 条的 件必 。要
d
d
2.2.2．非定常气动力
2.2作用于桥梁的空气力
（1）Theodorson平板空气力公式
1935年，Th. Theodorson首先从 理论上研究了薄平版的非定常气动 力。他根据流体力学势流理论求得 了作用于振动平板上的非定常气动 力的解析表达式。对于图示二维理 想平板，在均匀水平流场中作微小 振动时所受到的非定常空气升力和 力矩可表达为：
v
C(k)为Theodo函rs数 on， 当用 Bes函 sel数表示时
CkF(k)iG(k)
典型断面颤振导数曲线
典型断面颤振导数曲线
2.3桥梁颤振计算理论的发展
1948年Bleich 第一次用Theodorson 的平板空气公式来解决悬索桥的颤振分析。 他认为在悬索桥中常用的桁架加劲梁的上承桥面接近于一块平板，此时悬索桥的 二维颤振微分方程可以写成：
L2bv2C(k)hv[1C(k)]b2v
M2b2v2C(k)hv[1C(k)]b2v
式中
——空气密度； b——平板的半宽度； v——空气流速； h和分别为截面的竖向和扭转位移；
k b 为折算频率，为圆频率；
1V2B 2
LVC
M12V2B2LCM
式中：为空气密度，H为梁高，B为梁宽，L为长度，
1 V 2 2
为气流的动压。CH、CV、CM分别为主梁的阻力系数、升力
系数、力矩系数。
三种典型断面的三分力系数曲线
dCL 0, dCM 0是空气动力稳定 条的 件必 。要
d
d
2.2.2．非定常气动力
2.2作用于桥梁的空气力
第十四讲 桥梁风致振动分析
同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系
第五节 风振性能检验
5.1 风振稳定性
(1) 驰振临界风速 (2) 扭转颤振临界风速—
* 变号 A2
(3) 耦合颤振临界风速—竖弯和扭转耦合 (4) 涡激共振锁定风速
5.2 风振强度
(1) 抖振引起的强迫力荷载 (2) 涡振引起的自激力荷载 荷载最不利组合
同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系
第四节 静风性能验算
4.1 静风稳定性—扭转发散
(1) 二维计算模型 (2) 三维计算模型 扭转发散临界风速
4.2 静风强度
(1) 平均风荷载 (2) 脉动风荷载 荷载最不利组合问题
4.2 静风刚度
(1) 侧向静风位移 (2) 竖向静风位移 (3) 扭转静风位移(较小)
同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系
5.3 风振刚度
(1) 抖振位移 (a) 随机振动分析方法 (b) 节段模型试验法 (c) 全桥模型试验法 (2) 涡振位移 (a) 理论模型计算法 (b) 节段模型试验法 (c) 全桥模型试验法
同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系
第六节 抗风性能改善
大多数情况下气动导数值
H i*和Ai* (i = 1, 2 , 3, 4 )
同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系
第三节 动力特性分析
3.1 结构计算模型
(1) 按施工阶段划分(缆索承重桥梁) (a) 桥塔自立状态 (b) 主要拼梁状态 (c) 全桥成桥状态 (2) 按主梁离散划分 (a) 单梁式 (b) 双梁式 (c) 三梁式
λ — 衰减系数， λ = 7 ~ 21
同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系
桥梁风致响应 ppt课件
横风向荷载(cross-wind load) 升力(lift force)
扭矩荷载(torsional moment) 升力矩(pitching moment)
2.2 静风响应
结构(2个水平+1扭转)
位移(2个线位移+1个角位移)
桥梁(水平+竖向+扭转)
风压(局部位置垂直于表面)
结构为主
桥梁较少
中国悬索桥方案 (L=5,000 m)
侧弯： fps0.024H,z fpa0.04H 1 z
竖弯： fhs0.04H8,z fha0.06H 2 z
扭转： fts0.07H 3 z
17
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
4.4 结构阻尼(Structural damping )
钢 桥:： s0.5% ~1.0% , s2s3.14~6.28 结合合 梁梁 桥： : s1.0% ~1.5% , s2s6.28~9.42 混凝土桥:： s1.5% ~2.5% , s2s9.42~15.71
Lpp2Lp pLpp
D f D h h D h h D h h D D D D p p D p p D p p
D hh2D h hD hhD 2D D
D pp2D p pD pp
M f M h h M h h M h h M M M M p p M p p M p p
刚度较小—动力作用
颤振(flutter) 振幅较大—自激力
驰振(galloping)
5
同济大学土木工程防灾国家重点实验室
1. 桥梁风效应（续）
风荷载及桥梁风效应
荷载分类
荷载效应
作用机理
平均风荷载引起的内力和变形 风压作用下的阻力、升力和升力矩
桥梁颤振理论PPT课件
第33页/共68页
振型特点 纵漂 L-S-1 V-S-1 V-A-1 V-S-2 L-A-1 V-A-2
主塔横摆 主塔横摆
T-S-1 V-S-3 V-A-3 V-S-4 L-S-2 边跨竖向 T-A-1
1 ln x0
n xn
阻尼比与对数衰减率的关系
2 ， 2 1 2
第23页/共68页
结构的频率和振型可以通过结构动力特性分析获得，结构阻尼与材 料、结构形式等多种因素有关，无法通过计算取得。桥梁抗风设计中结构 的阻尼比可以取以下经验值：
桥梁种类 钢桥
结合梁桥 混凝土桥
阻尼比 阻尼比的统计范围
第16页/共68页
a
二、扭转发散
a V
Ka 弹性轴
扭转发散问题的几何位置与参数
令扭转弹簧刚度为Ka ，其含义为梁段发生单位转角所需的气动 力矩。扭转角为a，平均风速为V，桥面宽为B，则单位长度的气
动力矩为 ：
Ma
1 2
V
2 B 2C M
a
式中：CM a 为绕扭转轴转动的气动力参数。
第17页/共68页
桥梁的风毁事故最早可以追溯到1818年，苏格兰的Dryburgh Abbey桥首 先因风的作用而遭到毁坏。之后，英国的Tay桥因未考虑风的静力作用垮掉， 造成75人死亡的惨剧。一系列桥梁的风毁事故，使人们开始重视风的作用， 最初人们只认识到考虑静风载的必要性，直到1940年美国Tacoma悬索桥的 风毁事故（图8－1），才使工程界注意到桥梁风致振动的重要性。
0.005
0.5%~1.0%
0.01
1.0%~1.5%
0.02
2.0%~3.0%
第24页/共68页
二、采用有限元方法计算桥梁结构动力特性
振型特点 纵漂 L-S-1 V-S-1 V-A-1 V-S-2 L-A-1 V-A-2
主塔横摆 主塔横摆
T-S-1 V-S-3 V-A-3 V-S-4 L-S-2 边跨竖向 T-A-1
1 ln x0
n xn
阻尼比与对数衰减率的关系
2 ， 2 1 2
第23页/共68页
结构的频率和振型可以通过结构动力特性分析获得，结构阻尼与材 料、结构形式等多种因素有关，无法通过计算取得。桥梁抗风设计中结构 的阻尼比可以取以下经验值：
桥梁种类 钢桥
结合梁桥 混凝土桥
阻尼比 阻尼比的统计范围
第16页/共68页
a
二、扭转发散
a V
Ka 弹性轴
扭转发散问题的几何位置与参数
令扭转弹簧刚度为Ka ，其含义为梁段发生单位转角所需的气动 力矩。扭转角为a，平均风速为V，桥面宽为B，则单位长度的气
动力矩为 ：
Ma
1 2
V
2 B 2C M
a
式中：CM a 为绕扭转轴转动的气动力参数。
第17页/共68页
桥梁的风毁事故最早可以追溯到1818年，苏格兰的Dryburgh Abbey桥首 先因风的作用而遭到毁坏。之后，英国的Tay桥因未考虑风的静力作用垮掉， 造成75人死亡的惨剧。一系列桥梁的风毁事故，使人们开始重视风的作用， 最初人们只认识到考虑静风载的必要性，直到1940年美国Tacoma悬索桥的 风毁事故（图8－1），才使工程界注意到桥梁风致振动的重要性。
0.005
0.5%~1.0%
0.01
1.0%~1.5%
0.02
2.0%~3.0%
第24页/共68页
二、采用有限元方法计算桥梁结构动力特性
桥梁振动与抗震研究热点 ppt课件
1999年999年土尔其、台湾地震
■西部地区特殊地形和地质条件下的桥梁抗震问题 ■中小地震引起的结构损伤积累
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
本讲座的内容提要
■典型桥梁震害 ■桥梁设计方法与规范 ■弹塑性动力反应分析 ■最新实验设备与技术 ■桥梁加固技术 ■新西兰模式 ■亚太地区其他国家的地震研究
• DEM应用于钢筋混凝土的问题是必须反 映材料的连续性，并建立合理的材料本 构关系。
• EDEM通过在离散单元之间引入弹簧反 映材料的连续性。弹簧的物理性质必须 符合钢筋混凝土材料的并建立合理的材 料本构关系。
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
研究思路
目黑的EDEM刚体模型
本研究的EDEM质点模型
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
桥梁上部结构破坏机理分析
研究目的与意义 震害 •上部结构的倒塌 •地基液化引起的基础沉陷和侧方流动引起的基础破坏 •伸缩缝之间梁构件的碰撞，梁与挡块之间的撞击
要求理论分析解决的问题： 不连续、大变形大位移、碰撞
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
扩展离散单元法（EDEM）
0.1
1
5
周期 （秒）
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
弹塑性动力反应分析
背 景： 规范的变更、性能设计、市场竞争
政府导向： 今后，不掌握弹塑性动力反应计算 技术的咨询公司将面临生存危机
涉及范围： 钢筋混凝土结构 混凝土充填钢结构 土的液化、侧方流动 土与基础（包括地下结构）的相互作用
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
支座破坏后主梁端部浮起
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
明石海峡大桥桥墩桥台震后位移情况
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
■西部地区特殊地形和地质条件下的桥梁抗震问题 ■中小地震引起的结构损伤积累
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
本讲座的内容提要
■典型桥梁震害 ■桥梁设计方法与规范 ■弹塑性动力反应分析 ■最新实验设备与技术 ■桥梁加固技术 ■新西兰模式 ■亚太地区其他国家的地震研究
• DEM应用于钢筋混凝土的问题是必须反 映材料的连续性，并建立合理的材料本 构关系。
• EDEM通过在离散单元之间引入弹簧反 映材料的连续性。弹簧的物理性质必须 符合钢筋混凝土材料的并建立合理的材 料本构关系。
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
研究思路
目黑的EDEM刚体模型
本研究的EDEM质点模型
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
桥梁上部结构破坏机理分析
研究目的与意义 震害 •上部结构的倒塌 •地基液化引起的基础沉陷和侧方流动引起的基础破坏 •伸缩缝之间梁构件的碰撞，梁与挡块之间的撞击
要求理论分析解决的问题： 不连续、大变形大位移、碰撞
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
扩展离散单元法（EDEM）
0.1
1
5
周期 （秒）
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
弹塑性动力反应分析
背 景： 规范的变更、性能设计、市场竞争
政府导向： 今后，不掌握弹塑性动力反应计算 技术的咨询公司将面临生存危机
涉及范围： 钢筋混凝土结构 混凝土充填钢结构 土的液化、侧方流动 土与基础（包括地下结构）的相互作用
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
支座破坏后主梁端部浮起
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
明石海峡大桥桥墩桥台震后位移情况
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
课导论机械振动基本概念课件
▪ 材料力学研究结构的静力学，它考虑了材料的弹性 性质（变形）；
▪ 机械振动研究结构振动的一般规律，是材料力学在 动力学方向扩展，它与材料力学一样，是讨论材料 的强度问题。
1.3机械振动与先行、后继课程的关系(2)
理论力学：平衡方虚程位（移原理、 基础材料力学达：朗物伯理原方本理程 L构a、（ g方 ra程 n方 g， e程虎）克定律
Tacoma大桥风振坍塌事故
Tacoma大桥风振坍塌事故
▪ １９４０年美国华盛顿州建成了一座当时位 居世界第三的Ｔａｃｏｍａ大桥，大桥中央 跨距为８５３米，为悬索桥结构，设计可以 抗６０米／秒的大风，但不幸的是大桥刚建 成４个月就在１９米／秒的微风吹拂下整体 塌毁。
▪ 后来分析Ｔａｃｏｍａ大桥遭风塌毁的原因 就是气流与大桥的共振所引起的。(冯.卡门)
▪ 对于试验测试只向大家做简单介绍。
1.5 本课程的内容安排
章节 第一章 导论 第二章 单自由度系统
第三章 多自由度系统
实验 第四章 随机振动
学时 备注 2
10
将第三态空间响应计算方法 以及试验模态分析知识，补充Matlab应
用基础。
4
多自由度系统响应数值计算实验
1. 1 机械振动的含义(1)
▪ 所谓振动，广义地讲，指一个物理量在它的 平均值附近不停地经过极大值和极小值而反 复变化。
▪ 机械振动指机械或结构在它的静平衡位置附 近的往复弹性运动。
▪ 一般来说，任何具有弹性和惯性的力学系统 均可能产生机械振动。
1. 1 机械振动的含义(2)
▪ 振动系统发生振动的原因是外界对系统的激 励或作用。
Tacoma大桥风振坍塌事故
▪ 冯•卡门1954年在《空气动力学的发展》一书中写道：塔科 玛海峡大桥的毁坏，是由周期性旋涡的共振引起的。设计的 人想建造一个较便宜的结构，采用了平钣来代替桁架作为边 墙。不幸，这些平钣引起了涡旋的发放，使桥身开始扭转振 动。这一大桥的破坏现象，是振动与涡旋发放发生共振而引 起的。
▪ 机械振动研究结构振动的一般规律，是材料力学在 动力学方向扩展，它与材料力学一样，是讨论材料 的强度问题。
1.3机械振动与先行、后继课程的关系(2)
理论力学：平衡方虚程位（移原理、 基础材料力学达：朗物伯理原方本理程 L构a、（ g方 ra程 n方 g， e程虎）克定律
Tacoma大桥风振坍塌事故
Tacoma大桥风振坍塌事故
▪ １９４０年美国华盛顿州建成了一座当时位 居世界第三的Ｔａｃｏｍａ大桥，大桥中央 跨距为８５３米，为悬索桥结构，设计可以 抗６０米／秒的大风，但不幸的是大桥刚建 成４个月就在１９米／秒的微风吹拂下整体 塌毁。
▪ 后来分析Ｔａｃｏｍａ大桥遭风塌毁的原因 就是气流与大桥的共振所引起的。(冯.卡门)
▪ 对于试验测试只向大家做简单介绍。
1.5 本课程的内容安排
章节 第一章 导论 第二章 单自由度系统
第三章 多自由度系统
实验 第四章 随机振动
学时 备注 2
10
将第三态空间响应计算方法 以及试验模态分析知识，补充Matlab应
用基础。
4
多自由度系统响应数值计算实验
1. 1 机械振动的含义(1)
▪ 所谓振动，广义地讲，指一个物理量在它的 平均值附近不停地经过极大值和极小值而反 复变化。
▪ 机械振动指机械或结构在它的静平衡位置附 近的往复弹性运动。
▪ 一般来说，任何具有弹性和惯性的力学系统 均可能产生机械振动。
1. 1 机械振动的含义(2)
▪ 振动系统发生振动的原因是外界对系统的激 励或作用。
Tacoma大桥风振坍塌事故
▪ 冯•卡门1954年在《空气动力学的发展》一书中写道：塔科 玛海峡大桥的毁坏，是由周期性旋涡的共振引起的。设计的 人想建造一个较便宜的结构，采用了平钣来代替桁架作为边 墙。不幸，这些平钣引起了涡旋的发放，使桥身开始扭转振 动。这一大桥的破坏现象，是振动与涡旋发放发生共振而引 起的。
桥梁抗震与加固ppt课件
反应谱法基本原理
2.25
Ⅰ：β=2.25(0.2/T) Ⅱ：β=2.25(0.3/T)0.9 Ⅲ：β=2.25(0.45/T)0.95 Ⅳ：β=2.25(0.7/T) 0.9
0.3
1 2 3 4 5T
图1 场地类别与动力放大系数关系曲线
反应谱法基本原理
2、多质点反应谱
➢（1）振型分解法简介 ➢以无阻尼受迫振动为例，简要介绍振型分解法思想。
反应谱法基本原理
反应谱法基本原理
➢（2）多质点体系的地震力计算公式
➢ 用振型分解法求解，即利用振型分的正交特性，将联立微 分方程组一个个地分解为相互独立的振动方程，将多质点的复杂 振动，分解为按各个振型的独立振动的叠加，在求解过程中，引 入第i振型的振型参与系数：
反应谱法基本原理
➢ 由振型分解法可将多自由度现行震动体系分解为多个独立的广义 单自由度振子。广义单自由度振子的最大反应可由谱曲线查出。但一般 情况下，广义单自由度振子的最大反应不同时发生，因此需要以适当的 方式将它们组合起来。
反应谱法基本原理
➢ 不同的地震输入，得 到不同的反应谱曲线 。
➢ 在大量的地震加速度 记录输入后绘制的众多 反应谱曲线的基础上， 经过平均光滑化后，最 终得到得到平均地震反 应谱。
反应谱法基本原理
➢ 不同的体系阻尼比得到相应的反应谱曲线。
反应谱法基本原理
➢★单质点反应谱的地震力计算
➢应根据结构抗震设防的 烈度水准选用。根据我国 铁路工程抗震规范规定： 设计烈度Ⅶ度以上才进行 抗震设防，相应于Ⅶ，Ⅷ 和Ⅸ度，k分别为0.1、0.2 和0.4。
桥梁震害
2、桥台沦陷
桥梁震害
2、桥台沦陷产生的原因
➢当地震加速度作用时，桥梁与桥台之间的冲撞会产生相当 大的被动土压力，造成桥台有向桥跨方向移动的趋势。由 于桥面的支撑作用,桥台将发生以桥台顶端为支点的竖向旋 转，导致基础破坏。如果桥台基础在液化土上，又将引起 桥台垂直沉陷,最终导致桥梁破坏。
第十一讲桥梁风振可靠性分析
σub
U100
2.41
18.44
3.17
22.53
2.85
20.78
2.41
19.27
பைடு நூலகம்
2.34
18.39
3.04
21.75
2.65
19.70
2.56
19.77
2.54
18.55
2.11
15.66
2.43
15.29
2.71
17.84
2.97
20.24
3.32
23.65
3.31
23.13
3.23
22.54
风振 评价
静力 问题
强度——等效静风荷载作用 刚度——等效静风荷载作用 稳定——扭转发散或侧向屈曲
动力 问题
强度——阵风荷载、抖振荷载、涡振荷载 刚度——抖振位移、涡振位移 稳定——颤振发散或驰振发散
¾ 2. 颤振概率性评价 2.1文献综述
1985: M. Ito & Y. Fujino 在明石海峡大桥中首次采用 1992: P. Ostenfeld 等人在大海带桥中再次采用 1995: A Ianenti & A. Zasso 在墨西拿海峡大桥中采用 1997: 葛耀君在江阴大桥和杨浦大桥中采用
ai和bi — 偏差尺度和位置尺度，采用极大似然法估计
z (1) 基准风速(续)
表1 桥址处基准风速基本参数
I
风向
1
N
2
NNE
3
NE
4
ENE
5
E
6
ESE
7
SE
8
SSE
9
S
10
SSW
桥梁抗风抗震复习讲义课件
第1振型
第2振型
第3振型
桥墩的水平挠曲固有振型
时间函数 f (t ) 的幅值按照 Aet 逐渐衰减 ，如图
Aet
t
桥梁结构的自 振周期和地震 动卓越（主要） 周期越接近， 它的振型接受 到地震力的影 响越大；而结 构的阻尼比越 小，结构所受 的震害也越大。 分析和认识桥 梁结构的自振 周期、振型和 阻尼比这些动 力特性的重要 意义就在于此。
桥梁抗风抗震复习讲义
第二章 桥梁震害
地震强度
场地情况
桥梁震害
桥梁震害
人为错误
结构地震易损性
桥梁震害的四大原因
地基失效 结构强振 引起的破坏 引起的破坏
桥梁抗风抗震复习讲义
第二章 桥梁震害
2.3 下部结构和基础的震害
2.3.1 桥梁墩柱的震害 桥梁墩柱的震害
墩柱的弯曲破坏
墩柱的剪切破坏
墩柱的基脚破坏
桥梁抗风抗震复习讲义
第四章 桥梁工程抗震设计
桥梁抗震设计的任务，是选择合理的结构形式，并为结构提供较强的 抗震能力，具体包括以下三个方面 ：
正确选择能够有效地抵抗地震作用的结构形式； 合理地分配结构的刚度、质量和阻尼等动力参数，以便最大限度
地利用构件和材料的承载和变形能力； 正确估计地震可能对结构造成的破坏，以便通过结构、构造和其
桥梁抗风抗震复习讲义
1.2.2 烈度
人的感觉 物体反应 结构破坏 自然现象
–侧重点差异
–地震学：地震破坏后果 –抗震：地震作用强弱
–烈度与地震动参数关系
¡ 定义 ¡ 评价指标 ¡ 地震烈度表 ¡ 性质 ¡ 理解分歧 ¡ 影响因素及规律 ¡ 关于取消烈度
地震对地表及工程结构 影响的强弱程度
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第六章 桥梁风振概述
第六章 桥梁风振概述
❖ 桥梁风致病害典型案例
❖ 桥梁风振的主要形态
❖ 桥梁风工程的主要研究方法
❖ 桥梁风致振动的减振措施
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1
中南大学桥梁工程系
第六章 桥梁风振概述
主要参考资料：
❖ 陈政清《桥梁风工程》 ❖ 项海帆《现代桥梁抗风理论与实践》 ❖ 项海帆《桥梁概念设计》
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•涡振：大跨度桥梁在低风速下容易发生的一种 风致振动。
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10
中南大学桥梁工程系
第六章 桥梁风振概述
6.3 桥梁风振的研究方法
•理论分析
运用空气动力学原理，建立各类风荷载的数学模型，应 用结构动力学的方法，求解各类风致振动及其稳定性。
西奥多尔森(Theodorsen)理想平板颤振自激力理论；斯 坎伦(Scanlan)桥梁断面颤振理论；达文波特（Davenport） 抖振准定常理论。
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22
中南大学桥梁工程系
第七章 桥梁抗震概述
（5）综述高速铁路桥梁设计与车线桥振动的联系
（6）综述桥梁抗震抗风设计方法，简述桥梁抗震抗风的一些措 施与手段。
（7） 针对振型叠加法存在的问题，目前研究有何新进展。要求 写出较详细的读书笔记。
（8） 综述列车-桥梁系统共振研究现状，分析预防高速列车-桥 梁系统共振的措施与手段。
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第六章 桥梁风振概述
6.2 桥梁风振的主要形态
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第六章 桥梁风振概述
•气动弹性现象：气流中的弹性体发生变形或振动，从而改变气 流边界条件，引起气流力的变化，反过来又引起弹性体新的变形 与振动，这种气流力与结构相互作用的现象即为气动弹性现象。
加辅助索，预防拉索风雨振
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第七章 桥梁抗震概述
7.4 学习讨论题目
（1）动力系统振动方程建立方法之间的联系与区别。
（2）结构位移与内力动力系数关系，以及综述桥梁动力系数来 源。
（3）运用动力学总势能不变值原理与对号入座法则，建立车辆轨道结构的振动方程，具体推导过程
（4）简单系统的动力响应计算（2个以上自由度，振型叠加法与 逐步积分法）
•颤振：扭转发散振动或弯扭发散振动。如塔克马桥的桥面扭转 振动，飞机机翼振动
•驰振：细长结构因气流自激作用发生的纯弯曲大幅振动。如结 冰电线振动，塔柱、吊杆、拉索容易产生驰振形象。
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第六章 桥梁风振概述
•抖振：气流力受结构振动影响较小，气流力是一种强迫力，主 要是大气紊流导致结构强迫振动。
桥梁风工程的进一步发展，有待于基本理论框架的新突 破。
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中南大学桥梁工程系
第六章 桥梁风振概述 •风洞试验
目前，风洞试验是一个十分重 要且不可替代的手段。风洞试验包括： 节段模型试验，全桥模型试验等。
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第六章 桥梁风振概述 •风洞试验
目前，风洞试验是一个十分重 要且不可替代的手段。风洞试验包括： 节段模型试验，全桥模型试验等。
在16-17m/s的风速作用下， 发生竖向涡激振动，跨中振幅 达50 cm。
安装16台可调质量阻尼器 （TMD），涡激振动振幅只有5 cm。
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第六章 桥梁风振概述 •斜拉索风雨振
日本名港西大桥（MeikoNishi）、洞庭湖大桥均实测到拉 索在风雨共存的条件下，发生风雨振。称为影响最大的一种桥 梁病害。
加装风嘴、中央开槽、稳定板，使桥梁截面接近流线型， 避免或推迟漩涡脱落发生，增大竖向振动空气阻尼。
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第六章 桥梁风振概述
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第六章 桥梁风振概述
加装风嘴、中央开槽、稳定板，使桥梁截面接近流线型， 避免或推迟漩涡脱落发生，增大竖向振动空气阻尼。
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第六章 桥梁风振概述
斜拉索表面制造成凹痕或螺旋线，可以减轻斜拉索风 雨振的程度。
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第六章 桥梁风振概述 •机械减振措施
加阻尼器（如TMD，磁流变阻尼器）。怎样达到很好的减 振效果？
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第六章 桥梁风振概述
原因：颤振失稳。
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第六章 桥梁风振概述 •塔科马大桥风毁实例
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第六章 桥梁风振概述 1818-1840年风毁桥梁案例
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第六章 桥梁风振概述 •日本东京湾通道桥的涡激共振
主桥为10跨一联的钢箱梁 连续梁桥，最大跨度240m，宽 22.9m, 梁高6-11.5m。
应用计算流体力学 方法，在计算机上实现桥 梁风振全过程，称为数值 风洞技术。
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中南大学桥梁工程系
第六章 桥梁风振概述
6.4 桥梁风振的减振措施
•空气动力学措施
引起桥梁振动的风荷载性质与桥梁外形有关。在不改变桥 梁结构与使用性能的前提下，适当改变桥梁外形或附加一些导 流装置，往往可以减轻桥梁风振。如：
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中南大学桥梁工程系
第六章 桥梁风振概述 •现场观测
实桥测量风振特征与参数，是一种很好的研究手段，尤 其是桥梁发生风致病害时，研究价值更大。塔克马桥的实况录 像为桥梁事故原因分析以及桥梁风工程发展起到了重要的推动 作用。
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第六章 桥梁风振概述 •数值模拟
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第六章 桥梁风振概述
6.1 桥梁风致病害典型案例
•塔科马大桥风毁实例
塔科马大桥：建成， 三跨连续加劲梁悬索桥，主跨 853m，宽11.9m,加劲梁为H型板 梁，梁高2.45m。
建成4个月后，在18m/s的 风速(8级)作用下，发散振动持 续70min。最后，吊杆断裂，加 劲梁坠落河中。
第六章 桥梁风振概述
❖ 桥梁风致病害典型案例
❖ 桥梁风振的主要形态
❖ 桥梁风工程的主要研究方法
❖ 桥梁风致振动的减振措施
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第六章 桥梁风振概述
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•理论分析
运用空气动力学原理，建立各类风荷载的数学模型，应 用结构动力学的方法，求解各类风致振动及其稳定性。
西奥多尔森(Theodorsen)理想平板颤振自激力理论；斯 坎伦(Scanlan)桥梁断面颤振理论；达文波特（Davenport） 抖振准定常理论。
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（5）综述高速铁路桥梁设计与车线桥振动的联系
（6）综述桥梁抗震抗风设计方法，简述桥梁抗震抗风的一些措 施与手段。
（7） 针对振型叠加法存在的问题，目前研究有何新进展。要求 写出较详细的读书笔记。
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•气动弹性现象：气流中的弹性体发生变形或振动，从而改变气 流边界条件，引起气流力的变化，反过来又引起弹性体新的变形 与振动，这种气流力与结构相互作用的现象即为气动弹性现象。
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（1）动力系统振动方程建立方法之间的联系与区别。
（2）结构位移与内力动力系数关系，以及综述桥梁动力系数来 源。
（3）运用动力学总势能不变值原理与对号入座法则，建立车辆轨道结构的振动方程，具体推导过程
（4）简单系统的动力响应计算（2个以上自由度，振型叠加法与 逐步积分法）
•颤振：扭转发散振动或弯扭发散振动。如塔克马桥的桥面扭转 振动，飞机机翼振动
•驰振：细长结构因气流自激作用发生的纯弯曲大幅振动。如结 冰电线振动，塔柱、吊杆、拉索容易产生驰振形象。
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目前，风洞试验是一个十分重 要且不可替代的手段。风洞试验包括： 节段模型试验，全桥模型试验等。
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目前，风洞试验是一个十分重 要且不可替代的手段。风洞试验包括： 节段模型试验，全桥模型试验等。
在16-17m/s的风速作用下， 发生竖向涡激振动，跨中振幅 达50 cm。
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斜拉索表面制造成凹痕或螺旋线，可以减轻斜拉索风 雨振的程度。
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加阻尼器（如TMD，磁流变阻尼器）。怎样达到很好的减 振效果？
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主桥为10跨一联的钢箱梁 连续梁桥，最大跨度240m，宽 22.9m, 梁高6-11.5m。
应用计算流体力学 方法，在计算机上实现桥 梁风振全过程，称为数值 风洞技术。
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6.4 桥梁风振的减振措施
•空气动力学措施
引起桥梁振动的风荷载性质与桥梁外形有关。在不改变桥 梁结构与使用性能的前提下，适当改变桥梁外形或附加一些导 流装置，往往可以减轻桥梁风振。如：
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实桥测量风振特征与参数，是一种很好的研究手段，尤 其是桥梁发生风致病害时，研究价值更大。塔克马桥的实况录 像为桥梁事故原因分析以及桥梁风工程发展起到了重要的推动 作用。
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6.1 桥梁风致病害典型案例
•塔科马大桥风毁实例
塔科马大桥：建成， 三跨连续加劲梁悬索桥，主跨 853m，宽11.9m,加劲梁为H型板 梁，梁高2.45m。
建成4个月后，在18m/s的 风速(8级)作用下，发散振动持 续70min。最后，吊杆断裂，加 劲梁坠落河中。