風振及風振控制4-渦振課件

二、風致振動

1.渦激振動2.顫振3.馳振4.抖振LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity二、風致振動 1.渦激振動LiJiawu,TheFac11.渦激振動1.1卡門渦旋1.2渦激振動1.3渦振特性1.4渦振估算1.5渦振的控制措施LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.渦激振動1.1卡門渦旋LiJiawu,TheFa21.1卡門渦街1.1.1卡門渦街LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity卡門渦街是流體力學中重要的現(xiàn)象，在一定條件下的定常來流繞過某些物體時，物體兩側會周期性地脫落出旋轉方向相反、排列規(guī)則的雙列線渦，經過非線性作用后，形成卡門渦街1.1卡門渦街1.1.1卡門渦街LiJiawu,Th31.1.1卡門渦街卡門渦街視頻橋梁斷面LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.1.1卡門渦街卡門渦街視頻LiJiawu,The41.1.2馮·卡門馮·卡門（TheodorevonKármán１８８１—１９６３）是美藉匈牙利裔力學家，近代力學的奠基人之一，是我國著名科學家錢學森、錢偉長、郭永懷，以及美藉華人科學家林家翹在美國加州理工學院時的導師。馮·卡門1881年5月11日出生于匈牙利布達佩斯16歲的馮·卡門在1898年11月進了布達佩斯皇家工學院1906年去德國哥廷根（G?ttingen）大學求學，師從普朗特（LudwigPrandtl1875-1953）教授。第一次世界大戰(zhàn)期間，馮·卡門應召為奧匈帝國服務4年。戰(zhàn)后曾任匈牙利蘇維埃共和國教育部大學副部長。后他又回到德國亞琛工學院任教，擔任亞琛空氣動力學研究所所長。1929年底起定居美國,任加州理工學院古根海姆空氣動力學實驗室主任。后來建立了美國火箭技術中心——噴氣推進實驗室LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.1.2馮·卡門馮·卡門（Theodorevon51.1.2馮·卡門作為德國亞琛工學院空氣動力學研究所和美國加州理工學院古根海姆空氣動力學實驗室的領導，帶領了兩代科學家和工程師進入了科學技術的前沿領域，為航空和航天工程奠定了堅實的科學基礎。馮·卡門培育出了大批杰出的人才,他的學生遍及五大洲，被譽稱為“卡門科班”。

LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.1.2馮·卡門作為德國亞琛工學院空氣動力學研究所和美61.2渦激振動1.2.1渦激振動

風流經鈍體結構時會在結構的兩側產生不對稱的旋渦脫落，使結構表面受到周期性的正負壓力，在一定風速下結構所受合力的頻率與結構的自振頻率一致，此時結構發(fā)生渦激共振。渦激振動是一種簡諧振動，其振動形式通常表現(xiàn)為橫風向振動或扭轉振動。結構振幅較大時，結構的運動對氣體的繞流形態(tài)產生反饋作用，使旋渦脫落頻率在一定風速范圍內和結構固有振動頻率相等，即渦激共振的“鎖定”現(xiàn)象。鎖定現(xiàn)象增加了結構發(fā)生渦振的機率，增強了三維結構上的渦激力的相關性。渦激振動是一種限幅振動，對結構的質量和阻尼較為敏感，當結構質量和阻尼均較小時，渦激共振振幅可能很大。渦激振動常發(fā)生在較低風速下，出現(xiàn)頻度較高，易使結構構件產生疲勞破壞、人感不適、危及行車安全。LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.2渦激振動1.2.1渦激振動LiJiawu,Th71.2.2圓柱渦激振動特點（與Re有關）亞臨界范圍（3.0×102<Re<3.0×105)，旋渦以一個明確的頻率周期性地脫落在臨界范圍（3.0×105≤Re<3.5×106)，旋渦被紊流所掩蓋，渦脫雜亂無章在超臨界范圍（3.5×106<Re)，渦重新建立，渦脫重新出現(xiàn)周期性不同雷諾數(shù)情況下的繞流形態(tài)不同，因而其旋渦脫落的頻率及作用在結構上的氣動力也不同其它鈍體，如方形，矩形或各種橋面都有類似的旋渦脫落現(xiàn)象，當鈍體截面受到均勻流的作用時，截面背后的周期性旋渦脫落交產生周期性變化的空氣作用力——渦激力，當其頻率與結構頻率一致時，將發(fā)生渦激共振。LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.2.2圓柱渦激振動特點（與Re有關）亞臨界范圍（3.081.2.2圓柱渦激振動LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.2.2圓柱渦激振動LiJiawu,TheFacu91.2.3Strouhal數(shù)及“鎖定”現(xiàn)象1.2.3Strouhal數(shù)及“鎖定”現(xiàn)象當被繞流的物體不是固定不動的，而是一個振動體系時，周期性渦激力將引起體系的渦激共振，結構的振動對旋渦的脫落產生一種反饋作用，使旋渦脫落頻率在一定的風速范圍內被“俘獲”，即在該風速范圍內物體的固有頻率控制了渦脫的頻率，從而產生了一種“鎖定”現(xiàn)象。在鎖定區(qū)內，渦脫頻率不再服從Strouhal關系式，而是保持固有頻率值不變。在鎖定區(qū)，物體振幅可達到結構橫風向尺寸的幾分之一。當被繞流的物體不是固定不動的，而是一個振動體系時，周期性渦激111）Strouhal數(shù)的影響因素截面形狀雷諾數(shù)(對于鈍體斷面,影響比較小)1）Strouhal數(shù)的影響因素截面形狀122）圓柱的Strouhal數(shù)St=0.22）圓柱的Strouhal數(shù)St=0.213風振及風振控制4-渦振ppt課件風振及風振控制4-渦振ppt課件1.2.4易發(fā)生渦激振動構件1）主梁（西堠門）2）橋塔（鋼橋塔）3）吊桿（系桿拱吊桿，H型）LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.2.4易發(fā)生渦激振動構件1）主梁（西堠門）LiJia161.3渦激振特點是一種較低風速區(qū)發(fā)生的有限振幅振動只在某一風速區(qū)域內發(fā)生最大振幅對阻尼有很大的依賴性斷面形狀的微小變化對響應很敏感渦激振動可以激起彎曲振動，也可以激振扭轉振動主梁、橋塔、斜拉索及吊桿均會發(fā)生渦振1.3渦激振特點是一種較低風速區(qū)發(fā)生的有限振幅振動17181.3.1主梁渦振實例成橋后的振動實例181.3.1主梁渦振實例成橋后的振動實例18191.3.1主梁渦振實例成橋后的振動實例191.3.1主梁渦振實例成橋后的振動實例19201.3.2金門橋主梁渦振201.3.2金門橋主梁渦振20211.3.2金門橋主梁渦振211.3.2金門橋主梁渦振21221938.2強烈西風行走困難橋梁搖晃未作觀測漸漸忘卻（Tacoma垮橋）1941.2.1

瞬時風速27m/s持續(xù)3小時水平攻角45°風攻角0°

橫向變位1.5m豎向頻率0.125Hz

最大彎曲位置L/4振幅60cm

無扭轉振動記錄原因Tacoma橋板梁桁架化抗風措施金門橋桁架開孔率>25﹪

斜風導致實際開孔率下降？

1.3.2金門橋主梁渦振221938.2強烈西風行走困難橋梁搖2223橋軸方向序號

風向

風速m/s

振幅cmNW10°1近橋軸SW12°

22.25

5

2近垂直橋軸W

4.45

5

3近垂直橋軸SW75°20.03

114.3

4近橋軸

31.15

30

否定“斜風導致實際開孔率下降導致振動”的假定1950.6.6

西風

風速20.03~24.92m/s

振幅114.3cm短時反對稱一次扭轉振動出現(xiàn)1.3.2金門橋主梁渦振23橋軸方向序號風向風速m/s23241951.12.1

西風風速30.08m/s振幅335cm

南希·肯特小姐的故事下午和朋友乘車過橋，經過南塔后遭遇強風左打右轉方向，汽車倒退不前，橋上已看不見其他車輛想起了Tacoma橋，當車開過北塔到達北岸看到了等候過橋的長長的車隊金門橋開通14年來，首次封閉交通2小時50分1.3.2金門橋主梁渦振241951.12.11.3.2金門橋主梁渦振241.3.3大海帶橋渦振DragcoefficientCriticalwindspeedVortexinducedresponse1.3.3大海帶橋渦振DragcoefficientVo25Sec.

12214.514.614.714.814.91515.115.215.315.415.500.20.40.614.514.614.714.814.91515.115.215.315.415.5-0.6-0.4-0.200.20.40.6Time[min]Sec.

12214.514.614.714.814.915261.3.3大海帶橋渦振1.3.3大海帶橋渦振271.4.1渦振力模型

1）升力振子模型LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity

1.4渦激振動估算1.4.1渦振力模型

1）升力振子模型LiJiawu,282)渦振力模型-經驗線性模型LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity2)渦振力模型-經驗線性模型LiJiawu,TheF291.4.2渦激共振風速估算豎向渦激共振發(fā)生風速扭轉渦激共振發(fā)生風速對于一般鈍體斷面的構件,可以用下式估算1.4.2渦激共振風速估算豎向渦激共振發(fā)生風速扭轉渦激共振發(fā)1.4.3渦振振幅估計1.4.3渦振振幅估計31風振及風振控制4-渦振ppt課件1.4.4實腹式橋梁斷面渦激共振振幅估算1)豎向渦激共振振幅2)扭轉渦激共振振幅4)扭轉渦激共振允許振幅3)豎向渦激共振允許振幅1.4.4實腹式橋梁斷面渦激共振振幅估算1)豎向渦激共振振幅1.4.4實腹式橋梁斷面渦激共振振幅估算橋梁名稱主梁等效渦振容許應力

（KPa）主梁材料彎曲容許應力[]（KPa）等效渦振容許應力幅值比

(%)南京長江三橋19612.5210×1039.3江海直達橋方案I19119.0210×1039.1江海直達橋方案II19447.3210×1039.35)主梁渦振振幅對應的應力1.4.4實腹式橋梁斷面渦激共振振幅估算橋梁名稱主梁等效渦振351.4.5橋塔和高墩渦振橋塔切角或附加氣動裝置抑制馳振或渦激共振氣動措施不能滿足抗風要求時，可采取阻尼裝置或主動控制裝置351.4.5橋塔和高墩渦振35361.4.5橋塔和高墩渦振/馳振1)橋塔渦激振動361.4.5橋塔和高墩渦振/馳振1)橋塔渦激振動36371.4.5橋塔和高墩渦振/馳振德國羅德曼橋塔的馳振/渦振破壞371.4.5橋塔和高墩渦振/馳振德國羅德曼橋塔的馳振/渦37381.4.5橋塔和高墩渦振2）橋塔渦激振動減振381.4.5橋塔和高墩渦振2）橋塔渦激振動減振38391.4.5橋塔和高墩渦振2）橋塔渦激振動減振391.4.5橋塔和高墩渦振2）橋塔渦激振動減振39401.4.5橋塔和高墩渦振3）橋塔制振措施401.4.5橋塔和高墩渦振3）橋塔制振措施40LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.4.5橋塔和高墩渦振4）橋塔渦振的振幅允許值橋梁名稱控制截面允許最大振幅（m）鋼塔柱高（m）允許幅高比（%）南京長江三橋鋼塔段底部截面0.215178.6820.1203江海直達橋方案I鋼塔段底部截面0.1321020.1294江海直達橋方案II鋼塔段底部截面0.135108.50.1244明石海峽大橋—0.30282.80.1061LiJiawu,TheFacultyofHighw41LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.4.6拉索和吊桿渦振/馳振LiJiawu,TheFacultyofHighw42LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.4.6拉索和吊桿渦振/馳振1）拉索振動LiJiawu,TheFacultyofHighw43LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity2）拉索振動機理1.4.6拉索和吊桿渦振/馳振LiJiawu,TheFacultyofHighw44451.4.6拉索和吊桿渦振/馳振拉索振動的機理451.4.6拉索和吊桿渦振/馳振拉索振動的機理45461.4.6拉索和吊桿渦振/馳振拉索風雨振尾流馳振461.4.6拉索和吊桿渦振/馳振拉索風雨振尾流馳振46LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity2）拉索振動機理1.4.6拉索和吊桿渦振/馳振LiJiawu,TheFacultyofHighw47481.4.6拉索和吊桿渦振/馳振3)拉索減振措施輔助索或聯(lián)結器拉索的表面附加凸起、卷纏螺旋線、表面加工或改變斷面形狀、涂料設置阻尼裝置481.4.6拉索和吊桿渦振/馳振3)拉索減振措施48491.4.6拉索和吊桿渦振/馳振（1）輔助索----名港西大橋491.4.6拉索和吊桿渦振/馳振（1）輔助索----名49501.4.6拉索和吊桿渦振/馳振（1）輔助索----柜石島和巖黑島橋501.4.6拉索和吊桿渦振/馳振（1）輔助索----柜石50511.4.6拉索和吊桿渦振/馳振拉索間的聯(lián)結器和輔助索511.4.6拉索和吊桿渦振/馳振拉索間的聯(lián)結器和輔助索51521.4.6拉索和吊桿渦振/馳振（2）氣動外形--拉索間的聯(lián)結器拉索的表面凸起521.4.6拉索和吊桿渦振/馳振（2）氣動外形--拉索52531.4.6拉索和吊桿渦振/馳振（2）氣動外形----拉索的表面加工531.4.6拉索和吊桿渦振/馳振（2）氣動外形----拉53541.4.6拉索和吊桿渦振/馳振明石海峽大橋吊桿上的螺旋線541.4.6拉索