高速铁路桥梁检测技术-第2部分结构动力学基础删节

一架飞机机翼顶端产生的涡旋中的湍流
当层流遇到障碍物时转变为湍流
2002年7月5日，在西非海岸附近的Canary海岛上空形成的卡门 涡街云。
美国国家航空航天局（NASA）拍摄的智利海岸的卡门涡街
2002年12月1日，Madeira岛上空的卡门涡街。
颤振：弹性结构在均匀气流中由于受到空气动力、弹性
周期载荷（引起疲劳破坏）
1988 年4月28日，美国Aloha(阿洛哈)航空公司243航班从夏威夷起飞前 往檀香山。波音737-200，由副驾驶操纵机长监督，副驾驶女37岁，机 长男44岁。飞机刚爬升到7300m，客舱前段一段蒙皮脱落。结果除了1 名空乘，机上其他人全部生还。
2002年5月25日，台湾中华航空公司CI611航班从台北飞往香 港时在澎湖外海失事，波音747-200后部的金属疲劳造成飞 机空中解体，机上225人全部遇难。
力和惯性力（达朗贝尔原理）的耦合作用而发生的振幅不衰 减的自激振动，它是气动弹性力学中最重要的问题之一。飞 行器、高层建筑和桥梁等结构都可能发生颤振。颤振常导致 灾难性的结构破坏。颤振问题在飞行器中尤为突出。
发生颤振的必要条件是：结构上的瞬时流体动力与弹性
位移之间有相位差，因而使振动的结构有可能从气（或液） 流中吸取能量而扩大振幅。
据，成为飞机、船舶和赛车设计的理论基础。
冯•卡门（1881~1963）是美藉匈牙利人，近代力学的奠基人之 一 。其博士导师是近代流体力学的奠基人普朗特（1875~1953）。
他在加州理工学院的研究生中，有钱学森、郭永怀、钱伟长、林家
翘、王俊奎等，他的学术思想对中国力学事业的发展起了积极的作 用。他善于透过现象，抓住事物的物理本质，提炼出数学模型，树立 了现代力学中数学理论和工程实际紧密结合的学风，奠定了现代力学 的基本方向。他做出了许多卓越的成果，曾获得美国的第一枚国家科
高速铁客路运桥专梁检线测技术 桥梁检测技术
第二部分 结构动力学基础
第二部分 结构动力学基础
中国铁道科学研究院铁道建筑研究所
中国铁道科学研杨究宜院谦铁道建筑研究所 杨宜谦
yqyang@ 2009年8月 2011年10月
§§11.. 概概述述
1.1 动荷载及其分类
一.动荷载的定义
大小、方向和作用点（三要素）随时间变化；在其作用下，结 构上的惯性力与外荷载比不可忽视的荷载。
1940年11月7日上午，美国华盛顿州Tacoma（塔科马）海 峡大桥在风的作用下自激振动引起断裂。
ห้องสมุดไป่ตู้
1940年7月1日通车的塔科马大桥坍塌时间1940年11月7日， 该桥是一座主跨853.4m的悬索桥，全长1524m，桥下通航净高 59.40m，桥宽11.9m，而梁高仅1.3m。
该桥的加劲梁型式极不合理（钢板梁），梁体刚度不足，导
学勋章。
出现涡街时，流体对物体会产生一个周期性的交变横向作用
力。如果力的频率与物体的固有频率相接近，就会引起共振，甚至 使物体损坏。这种涡街曾使潜水艇的潜望镜失去观察能力、锅炉的 空气预热器管箱发生振动和破裂。但是利用卡门涡街的这种周期 的、交替变化的性质，可制成卡门涡街流量计，通过测量涡流的脱 落频率来确定流体的速度或流量。
自重、缓慢变化的荷载，其惯性力与外荷载比很小，分析时仍视作
静荷载。静荷载只与作用位置有关，而动荷载是坐标和时间的函数。
二.动荷载的分类 确定
动荷载 不确定
周期
简谐荷载 非简谐荷载
冲击荷载 非周期 突加荷载
其他确定规律的动荷载（快速移动荷载） 风荷载
地震荷载
其他无法确定变化规律的荷载
冲击荷载
风荷载
致在中等风速（19m/s）下结构就发生破坏。 虽风不算大，但桥 梁产生了上下振动，振幅不断增大（接近9m）并伴随着梁体的 剧烈的扭曲，直到桥面倾斜到45度左右，吊索拉断，加大了吊 索间的跨度，使梁体支撑不均，直至使梁体破坏。
在调查这一事故收集历史资料时发现：从1818年到19世纪 末，由风引起的桥梁振动己至少毁坏了11座悬索桥。
从20世纪40年代后期开始，围绕塔科马大桥风毁事故 的原因后人进行了大量的分析与试验研究。
当时有两种观点：
一种观点认为塔科马大桥的振动与机翼的颤振类同， 是一种风致扭转发散振动；
另一种观点认为塔科马大桥的主梁是H型断面，存在明 显的涡流脱落，因此是一种涡激共振（冯•卡门的观点）。
两种观点互相争论，直到1969年，斯坎伦（R.Scanlan） 提出了钝体断面的分离流颤振理论，成功地解释了塔科马大 桥的风毁机理，并由此奠定了桥梁颤振分析的理论基础。
在自然界中常可遇到。河水流过障碍物时，经常可见卡门涡 街。冯•卡门曾在意大利北部博洛尼亚的一所教堂里，目睹一幅圣• 克里斯托弗（Christopher, Saint. 基督教圣徒 ）背负少年基督，赤足 渡河的油画，画家画出圣•克里斯托弗的脚跟在河水中造成两排交 错的旋涡，冯•卡门说，这是卡门涡街最早的记录。
在第一次世界大战期间，为了提高飞机的飞行速度，采用阻力小
的单翼机。当时虽然注意了刚度要求，屡次发生尾翼颤振和机翼顫振 現象。尤其是30～40年代英国“蛾”号飞机和“鸽”号飞机的颤振失事。
人们开始从现象上认识到结构刚度的重要性，促使人们研究结构
变形与空气动力的相互作用，刚度不足会引起翼面变形发散（不稳定） 现象而造成失事，并创立了一门新的边缘学科—气动弹性力学。 从此 对结构刚度才提出了明确的要求。
卡门涡街是流体力学中重要的现象，在一定条件下的定常流绕过
非流线形物体时，物体尾流左右两侧会周期性地脱落出旋转方向相 反、交替排列规则、成对的、反对称双列线涡旋，经过非线性作用 后，形成卡门涡街。如水流过桥墩，风吹过高塔、烟囱、高层建筑、 电线、液体在油管道和换热器的管束流动等都会形成卡门涡街。
1911年，冯•卡门（ von Kármán ）找到了这种涡旋稳定性的理论根
刚度早期对于低性能飞机的结构，只提出简单的强度要求，例如 在1903年﹐莱特兄弟对第一架飞机结构的要求是能够承受 5倍于驾驶 员重量的载荷。
但即使在莱特兄弟时代，承载能力足够的飞机，也曾因刚度不足 而失事。就在莱特兄弟飞机试飞前几天，美国人S.P兰利设计和驾驶的 单翼机就在试飞时因机翼扭转刚度不足引起过度变形而失事。