风振及风振控制4-涡振

Non-dim. wind speed U/fB 1.5, 1.2 1.3, 1.0, 1.4, 1.2, 1.0 1.2, 1.2, 1.0
1.4 涡激振动估算 1.4.1 涡振力模型 1）升力振子模型
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
二、风致振动
1.涡激振动 2.颤振 3.驰振 4.抖振
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.涡激振动
1.1 卡门涡旋 1.2 涡激振动 1.3 涡振特性 1.4 涡振估算 1.5涡振的控制措施
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.1.2 冯 · 卡门
• 作为德国亚琛工学院空气动力学研究所和美国加州理工学院古根海姆 空气动力学实验室的领导，带领了两代科学家和工程师进入了科学技 术的前沿领域，为航空和航天工程奠定了坚实的科学基础。冯· 卡门培 育出了大批杰出的人才,他的学生遍及五大洲，被誉称为“卡门科班”。
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
• 涡激振动可以激起弯曲振动，也可以激振扭转振动
• 主梁、桥塔、斜拉索及吊杆均会发生涡振
1.3.1 主梁涡振实例
成 桥 后 的 振 动 实 例
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1.3.1 主梁涡振实例
成桥后的振动实例
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1.3.2金门桥主梁涡振
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1.3.2金门桥主梁涡振
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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小时 • 水平攻角 45°风攻角 0° • 横向变位1.5m 竖向频率 0.125Hz • 最大弯曲位置 L/4 振幅 60cm • 无扭转振动记录 • 原因 Tacoma桥 板梁 桁架化 抗风措施 • 金门桥 桁架开孔率>25﹪ •
19612.5 19119.0 19447.3
210×103 210×103 210×103
江海直达桥方案II
1.4.5桥塔和高墩涡振
桥塔切角或附加气动装置抑制驰振或涡激共振
气动措施不能满足抗风要求时，可采取阻尼装置 或主动控制装置
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1.4.5 桥塔和高墩涡振/驰振
1)桥塔涡激振动
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1.3.2金门桥主梁涡振
• 1951.12.1 • 西风 风速 30.08m/s 振幅 335cm • 南希·肯特小姐的故事 • 下午和朋友乘车过桥，经过南塔后遭遇强风 • 左打右转方向，汽车倒退不前，桥上已看不见其他车 辆 • 想起了Tacoma桥，当车开过北塔到达北岸 • 看到了等候过桥的长长的车队 • 金门桥开通14年来，首次封闭交通2小时50分
控制截面 钢塔段底部截面 钢塔段底部截面 钢塔段底部截面 —
允许最大振幅 （m） 0.215 0.132 0.135 0.30
钢塔柱高 （m） 178.682 102 108.5 282.8
允许幅高比 （% ） 0.1203 0.1294 0.1244 0.1061
At [ Aa ] 0.12% H
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.4.6 拉索和吊杆涡振/驰振
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.4.6 拉索和吊杆涡振/驰振
1）拉索振动
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
•
•
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、 危及行车安全。
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1.2.2 圆柱涡激振动特点（与Re有关）
• 亚临界范围（3.0×102<Re<3.0×105)，旋涡以一个明确的频率周期性 地脱落 • 在临界范围（3.0×105≤Re<3.5×106)，旋涡被紊流所掩盖，涡脱杂乱 无章
1.1 卡门涡街
1.1.1 卡门涡街
卡门涡街是流体力学中重要的现象，在一定条件下的定常来流绕过某些物体 时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过 非线性作用后，形成卡门涡街
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
f d U St
1.4.3 涡振振幅估计
1.4.4实腹式桥梁断面涡激共振振幅估算
1)竖向涡激共振振幅
hc Eh Eth B 2mr h
2)扭转涡激共振振幅
E Et c 2I pr
3)竖向涡激共振允许振幅
hc [ha ] 0.04 / f h
4)扭转涡激共振允许振幅
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1.3.3 大海带桥涡振
Drag coefficient Critical wind speed Vortex induced response
0.6 0.4 0.2 0
14.5
14.6
14.7
14.8
14.9
15 Sec. 122
15.1
15.2
15.3
15.4
15.5
0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 14.5 14.6 14.7 14.8 14.9 15 Time [min] 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5
• 在超临界范围（3.5×106<Re)，涡重新建立，涡脱重新出现周期性
• 不同雷诺数情况下的绕流形态不同，因而其旋涡脱落的频率及作用在 结构上的气动力也不同 • 其它钝体，如方形，矩形或各种桥面都有类似的旋涡脱落现象，当钝 体截面受到均匀流的作用时，截面背后的周期性旋涡脱落交产生周期 性变化的空气作用力——涡激力，当其频率与结构频率一致时，将发 生涡激共振。 Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1）主梁（西堠门） 2）桥塔（钢桥塔） 3）吊杆（系杆拱吊杆，H型）
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.3 涡激振特点
• 是一种较低风速区发生的有限振幅振动
• 只在某一风速区域内发生
• 最大振幅对阻尼有很大的依赖性
• 断面形状的微小变化对响应很敏感
1.4.5 桥塔和高墩涡振/驰振
德国罗德曼桥塔的驰振/涡振破坏
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1.4.5桥塔和高墩涡振
2）桥塔涡激振动减振
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1.4.5桥塔和高墩涡振
2）桥塔涡激振动减振
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1.4.5桥塔和高墩涡振
3）桥塔制振措施
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Aallow
1.4.5桥塔和高墩涡振
4）桥塔涡振的振幅允许值
桥梁名称 南京长江三桥 江海直达桥方案I 江海直达桥方案II 明石海峡大桥
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斜风导致实际开孔率下降？
1.3.2金门桥主梁涡振
• • • • • • • • 桥轴方向 序号 风向 风速m/s 振幅cm NW10° 1 近桥轴SW12 ° 22.25 5 2 近垂直桥轴W 4.45 5 3 近垂直桥轴SW75 ° 20.03 114.3 4 近桥轴 31.15 30 否定“斜风导致实际开孔率下降导致振动”的假定 1950.6.6 西风 风速20.03~24.92m/s 振幅 114.3cm 短时反对称一次扭转振动出现
1.2 涡激振动
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 正负压力，在一定风速下结构所受合力的频率与结构的自振频率一致，此时结构发生涡激共 振。
• •
涡激振动是一种简谐振动，其振动形式通常表现为横风向振动或扭转振动。 结构振幅较大时，结构的运动对气体的绕流形态产生反馈作用，使旋涡脱落频率在一定风速 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。
2) 涡振力模型-经验线性模型
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1.4.2涡激共振风速估算
竖向涡激共振发生风速
U cvh 2.0 f h B
扭转涡激共振发生风速
U cv 1.33 f t B
对于一般钝体断面的构件,可以用下式估算
• 在锁定区内，涡脱频率不再服从Strouhal关系式，而是保持 固有频率值不变。
• 在锁定区，物体振幅可达到结构横风向尺寸的几分之一。
1）Strouhal数的影响因素

截面形状 雷诺数(对于 钝体断面,影 响比较小)
2）圆柱的Strouhal数
St = 0.2
1.2.4 易发生涡激振动构件
1.3.3 大海带桥涡振
Mode shape
Event no. / (frequency) 4, 10 (0.130 Hz) 1, 2, 3, 5, 9 (0.209 Hz) 6, 7, 8 (0.242 Hz)
Maximum amplitude (m) 0.26, 0.32 0.23, 0.18, 0.29, 0.14, 0.30 0.20, 0.22, 0.19,
1.4.6 拉索和吊杆涡振/驰振
2）拉索振动机理
Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
1.4.6 拉索和吊杆涡振/驰振
拉索振动的机理
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1.4.6 拉索和吊杆涡振/驰振
拉索风雨振
尾流Leabharlann Baidu振
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1.4.6 拉索和吊杆涡振/驰振
2）拉索振动机理
1.2.2 圆柱涡激振动
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1.2.3 Strouhal数及“锁定”现象
fd St U
• 当被绕流的物体不是固定不动的，而是一个振动体系时， 周期性涡激力将引起体系的涡激共振，结构的振动对旋涡 的脱落产生一种反馈作用，使旋涡脱落频率在一定的风速 范围内被“俘获”，即在该风速范围内物体的固有频率控 制了涡脱的频率，从而产生了一种“锁定”现象。
1.1.1 卡门涡街
• 卡门涡街视频 • 桥梁断面
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1.1.2 冯 · 卡门
• 冯· 卡门（Theodore von Kármán １８８１—１９６３）是美藉匈牙利 裔力学家，近代力学的奠基人之一，是我国著名科学家钱学森、钱伟 长、郭永怀，以及美藉华人科学家林家翘在美国加州理工学院时的导 师。 • 冯· 卡门1881年5月11日出生于匈牙利布达佩斯 • 16岁的冯· 卡门在1898年11月进了布达佩斯皇家工学院 • 1906年去德国哥廷根（Göttingen）大学求学，师从普朗特（Ludwig Prandtl 1875-1953）教授。 • 第一次世界大战期间，冯· 卡门应召为奥匈帝国服务4年。战后曾任匈 牙利苏维埃共和国教育部大学副部长。 • 后他又回到德国亚琛工学院任教，担任亚琛空气动力学研究所所长。 • 1929年底起定居美国,任加州理工学院古根海姆空气动力学实验室主任。 • 后来建立了美国火箭技术中心——喷气推进实验室 Li Jiawu ,The Faculty of Highway, Chang'an University
c [ a ] 2.28/ bft
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1.4.4实腹式桥梁断面涡激共振振幅估算
5) 主梁涡振振幅对应的应力
等效涡振容许应力幅 值比 (%) 9.3 9.1 9.3
桥梁名称
主梁等效涡振容许应 主梁材料弯曲容许应力[ ] 力 （KPa） （KPa）
南京长江三桥 江海直达桥方案I