陈政清陈政清 zqchenhnu.edu.cn湖南大学风工程研究中心湖南大学风工程研究中心2012年年6月月桥梁抗风设计方法与工程应用桥梁抗风设计方法与工程应用1一类特制目录目录1.起源与历史起源与历史2.桥梁风致振动的类型桥梁风致振动的类型3.桥梁风致振动基本理论与抗风设桥梁风致振动基本理论与抗风设计方法计方法4.工程应用实例工程应用实例2一类特制起源与历史起源与历史3一类特制 桥梁风工程研究始于桥梁风工程研究始于1940年塔科马桥风毁事故年塔科马桥风毁事故位于美国西北的华盛顿州1940年3月通车，1940年7月风毁，风速18米/秒。主跨853米，桥宽11.9米，梁高2.4米宽跨比1：72，高跨比1：350！主梁截面形式：H型板梁位于美国西北的华盛顿州1940年3月通车，1940年7月风毁，风速18米/秒。主跨853米，桥宽11.9米，梁高2.4米宽跨比1：72，高跨比1：350！主梁截面形式：H型板梁4一类特制旧塔科马海峡桥风毁事故原因：扭转颤振风致自激发散振动教训：桥梁要有空气动力稳定性。途径：（1）主梁良好的气动外形（2）保证桥梁扭转刚度（3）风洞试验，（4）建立桥梁抗风理论5一类特制发展简史至1950年代：建立气动弹性力学基础Wagner，Theodonson，Sears，1960年代：桥梁颤振理论Sakata(日本），Scanlan（美国）桥梁抖振理论Davenport，Scanlan1970年代：英国Severn桥的抗风设计1980年代：日本本州四国连线工程，跨度1991m的明石桥1990年代后：丹麦大海带桥，CFD应用，中国6一类特制2、风致振动的类型1.Flutter颤振2.Vortexsheddingvibration涡振（涡激共振）3.Galloping驰振4.Buffeting抖振5.Divergence静力失稳6.Wakeinducedvibration尾流致振7一类特制(1)Flutter颤振基本特征：基本特征：扭转与弯曲复合振动，扭转为主扭转与弯曲复合振动，扭转为主发散的自激振动发散的自激振动均匀流场即可发生均匀流场即可发生可能有明显的临界风速点可能有明显的临界风速点8一类特制全桥颤振tacoma桥大幅度扭转振动大幅度扭转振动9一类特制杆件颤振：拱桥板式钢吊杆的大攻角颤振杆件颤振：拱桥板式钢吊杆的大攻角颤振连续振动连续振动13小时至吊杆的小时至吊杆的翼板断裂翼板断裂2006年8月，广东一拱桥在24m/s风速下的振动录像（田仲初摄）10一类特制(2)Vortexsheddingvibration涡激共振机理：气流绕过柱体时在尾部产生涡，涡脱落时产生对柱体的作用力，涡脱频率与柱体自振频率接近时发生共振特点：有风速锁定区间；限幅；均匀流中发生；弯曲或扭转11一类特制钢桥涡振实例日本东京湾桥10跨连续刚构桥，主跨240米，单箱钢梁，梁高 310米Trans-TokyoBayBridge12一类特制钢桥涡振实例日本东京湾桥13一类特制拱桥矩形吊杆涡振（日本傍花大桥）14一类特制(3)Galloping驰振细长杆件的大幅弯曲振动自激的发散的振动，最先在结冰输电线上发现可能发生在桥梁的：斜拉索，吊杆，超高塔柱15一类特制 斜拉索风雨振驰振斜拉索风雨振驰振 随着斜拉桥跨度的振动，斜拉桥拉索越来越长，导致拉索越来越柔，结构随着斜拉桥跨度的振动，斜拉桥拉索越来越长，导致拉索越来越柔，结构阻尼越来越小，在风雨的共同作用下，斜拉索极易发生风雨共振现象。阻尼越来越小，在风雨的共同作用下，斜拉索极易发生风雨共振现象。16一类特制(4)Buffeting抖振机理：自然风的脉动分量产生一种随机力从而迫使桥梁产生随机振动有限振幅，但影响疲劳寿命，舒适度和行车安全因振幅小，难见实桥抖振录像双悬臂施工状态的抖振内力可能很大！17一类特制抖振全桥气弹模型试验湖南湘西矮寨大桥；湖南大学风洞试验湖南湘西矮寨大桥；湖南大学风洞试验18一类特制(5)Divergence静力失稳机理：风速很大时，风产生的升力和阻力联合作用，使桥梁特别是索支承桥丧失扭转刚度而失稳同济大学提供19一类特制(6)尾流干扰尾流干扰机理：气流依次流过前后两个柱体（串列）而产生的相互干扰作用效应：降低颤振临界风速；产生涡振和驰振20一类特制尾流干扰实例尾流干扰实例1: 1: 赛车赛车21一类特制即使是混凝土桥梁，尾流干扰也可使下游桥梁发生涡激振动，但风速较高，海上桥梁有可能发生全桥气弹模型风洞试验22一类特制风荷载与风致响应的分类自然自然风的分的分量量结构状构状态风荷荷载类型型描述描述风荷荷载的的无量无量纲参数参数结构响构响应类型与特征型与特征平均平均风（定常流）（定常流）假定假定为固定状固定状态平均平均风力力三分力系数三分力系数静静变形与静形与静力失力失稳涡激力激力斯托哈特数斯托哈特数介于介于强强迫振迫振动与自激振与自激振动之之间微振微振动自激力自激力颤振振导数数颤振、振、驰振振（自激的可（自激的可能能发散的振散的振动）脉脉动分量分量假定假定结构固定构固定抖振力抖振力气气动导纳抖振限幅振抖振限幅振动（强强迫振迫振动）23一类特制3、桥梁风致振动的基本理论与抗风设计方法24一类特制研究内容与特点桥梁抗风研究在桥址处各种可能的风场条件下，桥梁结构的静力效应与动力响应，为新建桥梁的设计、施工提供解决方案。大跨柔性桥梁如悬索桥和斜拉桥，刚性桥梁中的柔性构件，如拱桥的吊杆等，都必须进行桥梁抗风的研究。桥梁结构风致效应属于流体与固体相互作用的范畴。因此风效应研究自然包括三个要素：风环境、风荷载与结构风环境、风荷载与结构响应。响应。风致振动是研究的重点和难点风致振动是研究的重点和难点。汽车：风阻系数建筑：风荷载，风致振动（舒适性）桥梁：大跨度桥梁的高跨比很小，钢阻尼也小，极易振动高跨比：高跨比： 苏通桥苏通桥 3.5/1088=1/310.8; 西堠门桥西堠门桥 3.51/1650=1/47025一类特制基本思路：本质上是一个流固耦合问题，简化为本质上是一个流固耦合问题，简化为风荷载的确定及其相应的结构效风荷载的确定及其相应的结构效应问题。应问题。这里的风荷载，包括静力的和动力的，动力荷载包括强迫的这里的风荷载，包括静力的和动力的，动力荷载包括强迫的和自激的。和自激的。基本方法：理论分析，风洞试验，理论分析，风洞试验，CFD往往需要多种方法的综合应用与相互校核往往需要多种方法的综合应用与相互校核重要假定：条带假定：条带假定：等截面直梁的单位长度受到的风荷载处处相等等截面直梁的单位长度受到的风荷载处处相等主要对策主要对策微调结构外形，增加刚度，减振措施（阻尼器，微调结构外形，增加刚度，减振措施（阻尼器，TMD）26一类特制近地风特性风环境在一定高度下，平均风速随高度增加而增加，紊流在一定高度下，平均风速随高度增加而增加，紊流度减少度减少四类场地四类场地：A,B,C,D 按地表粗糙度划分按地表粗糙度划分基本风速基本风速 ：B类，类，10m高，高，10min平均，百年一遇，平均，百年一遇，桥面高度桥面高度Z的的设计风速设计风速 指数指数 对对A,B,C,D四类风场分别为四类风场分别为0.12,0.16,0.22,0.30 脉动风特性脉动风特性紊流度，积分尺度，功率谱密度紊流度，积分尺度，功率谱密度(规范规范p46)27一类特制结构动力特性分析结构主要模态的频率和阻尼比对抗风性能影响很大基频估计（规范p15）斜拉桥竖弯扭转，C查表悬索桥中跨简支竖弯阻尼比，规范钢桥0.005可能偏于不安全有限元动力分析一定要用三维有限元模型28一类特制三分力三分力风荷载的三个分量（二维理论）（二维理论）阻力，升力和升力矩阻力，升力和升力矩： 是截面上分布压力的合力是截面上分布压力的合力与截面形状有关，与与截面形状有关，与风攻角风攻角有关，与自身振动有关有关，与自身振动有关静力三分力，准定常三分力，非定常三分力静力三分力，准定常三分力，非定常三分力 有有体轴体轴和和风轴风轴两种坐标系两种坐标系风荷载在体轴坐标系下的三分力风荷载在体轴坐标系下的三分力29一类特制静力三分力系数及其影响因素静力三分力系数及其影响因素无量纲的静力三分力系数，用来描述具有同样形状截面的静力风荷载的共同特征。利用三分力系数，体轴坐标系下，静力风荷载可以表示为：阻力升力扭矩系数，CH，CV，CM静三分力系数随攻角变化30一类特制(1)驰振理论当气流经过一个在垂直气流方向上处于当气流经过一个在垂直气流方向上处于微振动状态的细长物体时，即使气流是微振动状态的细长物体时，即使气流是攻角与风速都不变的定常流，攻角与风速都不变的定常流，物体与气物体与气流之间的相对攻角也在不停的随时间变流之间的相对攻角也在不停的随时间变化化。由气动三分力曲线可以看出，相对。由气动三分力曲线可以看出，相对攻角的变化必然导致三分力的变化，三攻角的变化必然导致三分力的变化，三分力的这一变化部分形成了动力荷载，分力的这一变化部分形成了动力荷载，即气动自激力。由于按相对攻角变化建即气动自激力。由于按相对攻角变化建立的气动自激力理论，忽略了物体周围立的气动自激力理论，忽略了物体周围非定常流场的存在，仍将气流看作是定非定常流场的存在，仍将气流看作是定常的，因此这种理论称为准定常理论常的，因此这种理论称为准定常理论（Quasi-Steady TheoryQuasi-Steady Theory）, ,相应的气动相应的气动力称为准定常力。力称为准定常力。31一类特制驰振方程驰振稳定性判据驰振方程驰振稳定性判据弯曲驰振方程为弯曲驰振方程为移项后速度前的系数表示系统的净阻尼，用移项后速度前的系数表示系统的净阻尼，用d表示有表示有当当时才会出现不稳定现象。因此上式左端又称为驰振力系时才会出现不稳定现象。因此上式左端又称为驰振力系数。又因为一般情况下阻力系数总是正的，因此只有当数。又因为一般情况下阻力系数总是正的，因此只有当升力系数关于攻角的斜率为负才可能出现不稳定的驰振升力系数关于攻角的斜率为负才可能出现不稳定的驰振现象，令现象，令d=0 得到驰振临界风速计算公式。得到驰振临界风速计算公式。32一类特制杆件可能发生驰振的截面举例驰振临界风速验算公式33一类特制可能发生驰振的截面举例34一类特制与驰振相关的抗风设计方法测定截面的三分力随攻角变化的曲线，如升力曲线没有下降段，无驰振问题；计算驰振系数和相应的驰振临界风速，应满足条件：Cg大于1.2倍设计风速如不满足，考虑修改截面形状，如矩形柱可作切角处理成稳定的八边形截面；安装TMD以提高等效阻尼比等等35一类特制(2)颤振理论自激力是非定常的，一般只需考虑升力和升力矩自激力的Scanlan表达式式中，Hi和Ai，i=1.2.3.4称为颤振导数或气动导数颤振导数或气动导数，它们与截面形状有关，且假定为无量纲频率K=wB/U的函数，目前主要利用节段模型风洞试验数据经理论分析后识别，有自由振动法自由振动法和强迫振动法。和强迫振动法。36一类特制典型截面的颤振导数典型截面的颤振导数试验了四种断面的节段模型；对每一种断面，分别进行单自由度，两自由度，三自由度试验；对试验信号，分别用频域法，时域法识别颤振导数37一类特制模型PB模型HM模型AZ模型DT38一类特制平板断面气动导数平板（平板（PB）模型扭转气动导数）模型扭转气动导数39一类特制平板（平板（PB）模型竖向气动导数）模型竖向气动导数40一类特制单自由度扭转颤振对于钝体截面，如边主梁，H型吊杆，可发生单自由度扭转颤振，此时h0，由两自由度颤振方程可得：移项得当A2大于零后，总阻尼可小大于零后，总阻尼可小于零，振动发散！于零，振动发散！41一类特制简化的二自由度颤振分析理论利用振型分解，将桥梁振动简化为一对扭转与弯曲模态振利用振型分解，将桥梁振动简化为一对扭转与弯曲模态振动的气动耦合振动动的气动耦合振动将识别的气动导数代人方程，将识别的气动导数代人方程，应用各种搜索方法求阻尼为零应用各种搜索方法求阻尼为零的风速解，即是颤振临界风速的风速解，即是颤振临界风速即使是很流线型的断面，也即使是很流线型的断面，也会发生颤振，只是颤振临界风会发生颤振，只是颤振临界风速有高低之分速有高低之分42一类特制三维颤振分析方法特点：可以考虑全桥多模态和边界条件的影响，提高分析精度，对斜可以考虑全桥多模态和边界条件的影响，提高分析精度，对斜拉桥更为重要拉桥更为重要基本方法多模态法，物理坐标（全模态）法，时程法多模态法，物理坐标（全模态）法，时程法基本假定： 1）条带假定：主梁为直线梁，沿跨度方向气动性能一致；）条带假定：主梁为直线梁，沿跨度方向气动性能一致；2）风垂直作用于主梁；）风垂直作用于主梁；3）忽略塔、缆索的气动效应。）忽略塔、缆索的气动效应。多模态的M-S法陈政清陈政清1992年提出了一种多模态参与单参数年提出了一种多模态参与单参数M-S搜索法，直接对搜索法，直接对无量纲风速一个参数进行搜索，故称为无量纲风速一个参数进行搜索，故称为M-S法法 应用于我国虎门桥、江阴桥等多座大桥颤振分析，均能与全桥模应用于我国虎门桥、江阴桥等多座大桥颤振分析，均能与全桥模型试验基本吻合。型试验基本吻合。 2000年，陈政清与华旭刚实现了无量纲风速范围内多个可能颤振年，陈政清与华旭刚实现了无量纲风速范围内多个可能颤振形态的全域自动搜索，形态的全域自动搜索， 全部计算过程已在作者开发的大跨桥梁空间非线性静、动力分析全部计算过程已在作者开发的大跨桥梁空间非线性静、动力分析程序程序NACS的的Windows版本中实现。版本中实现。 43一类特制矮寨大桥节段模型风洞试验矮寨大桥节段模型风洞试验也可按弯曲与扭转频率相似原则，用节段模型弹性悬挂的风也可按弯曲与扭转频率相似原则，用节段模型弹性悬挂的风洞试验直接测量颤振临界风速，主要适用于悬索桥。洞试验直接测量颤振临界风速，主要适用于悬索桥。44一类特制重要桥梁应作全桥气弹模型试验验证45一类特制与颤振相关的抗风设计方法设防标准是发生颤振的临界风速小于按规范计算的检验风速（规范p22）随跨度变化在1.19到1.49之间提高颤振临界风速的办法：主梁加装风嘴，稳定板，导流板，其他构件（如吊杆）可考虑改变形状，附加约46一类特制(3)涡振理论 从涡激共振的表现形式来看，它是一种带有自激性质的单模从涡激共振的表现形式来看，它是一种带有自激性质的单模态强迫振动。主要有五个方面的特征：态强迫振动。主要有五个方面的特征：1.限幅性：较低风速下发生，有限振幅振动；限幅性：较低风速下发生，有限振幅振动；2.锁定性：在某一风速区间内发生；锁定性：在某一风速区间内发生；3.最大振幅对阻尼有很大的依赖性；最大振幅对阻尼有很大的依赖性；4.涡激响应对断面形状的微小变化很敏感；涡激响应对断面形状的微小变化很敏感；5.涡激振动可以激起弯曲振动，也可以激起扭转振动。涡激振动可以激起弯曲振动，也可以激起扭转振动。47一类特制(3)涡振理论基本原理与分析理论基本原理与分析理论1898年，Strouhal通过实验发现当流体绕过圆柱体后，在尾流中将出现交替脱落的漩涡，并且漩涡脱落频率、风速及圆柱体直径之间存在以下关系，现称为斯托罗哈（Strouhal）数：1911年发现Karman涡街48一类特制(3)涡振理论基本原理与分析理论（续）基本原理与分析理论（续）其它的钝体如方形、矩形或各种桥面都有类似的漩涡脱落现象。均匀流作用时，截面背后的周期性漩涡脱落将产生周期变化的作用力涡激力。且其涡激频率为：当被绕流的物体是一个振动体系时，周期性的涡激力将引起结构的涡激振动(Vortex-inducedVibration)，并且在漩涡脱落频率与结构的自振频率一致时将发生涡激共振。49一类特制(3)涡振理论基本原理与分析理论（续）基本原理与分析理论（续）节段模型风洞试验可以发现涡激共振的风速区间，测定Strouhal数和振幅，但有些问题待深入研究，如雷诺数的影响，涡振振幅的换算，多阶模态涡振的雷诺数的影响，涡振振幅的换算，多阶模态涡振的相互关系相互关系涡振的分析理论很难描述限幅性和锁定现象，现有的理论有：Scruton提出的升力振子模型提出的升力振子模型 Simiu与与Scanlan于于1986年提出经验线性模型年提出经验线性模型 Ehsan与与Scanlan于于1990年提出了经验非线性模型年提出了经验非线性模型50一类特制抗风设计的基本原则是涡振振幅小于规范容许振幅，振幅主要由风洞试验预测，桁梁桥一般可满足要求。大比例节段模型试验以尽量减小Re数的影响容易诱发涡振的桥型：钢箱梁桥，钢混结合边主梁桥桥型：钢箱梁桥，钢混结合边主梁桥构件：检修轨道，分离双箱主梁构件：检修轨道，分离双箱主梁改进方法-截面气动优化风嘴，风嘴，导流板，稳定板，水平翼板，调整检修轨道位置导流板，稳定板，水平翼板，调整检修轨道位置事后措施：TMD减振，有人研究主动控制与涡振相关的抗风设计方法51一类特制Longs-creek桥制涡措施对比试验4种措施，1.加底板、2.底板+1.8m风嘴、3.底板+2.4m风嘴、4.底板+3.0m风嘴。52一类特制丹麦大海带东桥抗涡振增加导流板设计53一类特制(4)抖振理论基本原理与分析理论基本原理与分析理论桥梁的抖振是指在紊流场作用下的随机振动。通常所说的桥梁抖振分析理论主要是针对大气紊流引起的抖振，包针对大气紊流引起的抖振，包含顺风向与横风向振动含顺风向与横风向振动。桥梁结构在随机风荷载作用下的响应计算可分为频域法和时域法两大类。频域方法频域方法采用付立叶变换技术，通过激励的统计特性来确定结构响应的统计特性如均值与方差等，这是一个标准的随机振动分析方法，在结构是线性以及激励是平稳随机过程的假设前提下，通过频域的方法建立结构输入与输出的响应关系具有简单高效的优点；时域方法时域方法是通过模拟随机荷载的统计特性，将激励转化为时间系列，通过动力有限元的方法确定结构的响应54一类特制基本原理与分析理论（续）基本原理与分析理论（续）抖振分析的基本要素自然紊流风场的模拟生成，风谱；自然紊流风场的模拟生成，风谱；气动导纳：脉动风到抖振力的转递函数气动导纳：脉动风到抖振力的转递函数抖振力的计算抖振力的计算结构动力响应结构动力响应目前的问题：计算与实测的一致性？实测数据很少；气动导纳函数的精确计算与实测的一致性？实测数据很少；气动导纳函数的精确性？性？抖振的风洞试验方法抖振的风洞试验方法模拟自然风场，全桥气弹模型试验，施工状态的抖振内力模拟自然风场，全桥气弹模型试验，施工状态的抖振内力（如斜拉桥大悬臂状态）（如斜拉桥大悬臂状态）目前我国规范对抖振无明确规定，设计检算抖振内力的叠加，目前我国规范对抖振无明确规定，设计检算抖振内力的叠加，成桥状态应考虑疲劳和舒适度问题成桥状态应考虑疲劳和舒适度问题55一类特制(5)风致静力失稳理论静力风荷载的变形依赖性静力风荷载的变形依赖性给定风速给定风速U的情况下，结构承受初始风荷载，在风荷载作的情况下，结构承受初始风荷载，在风荷载作用下桥梁结构会产生变形，由于静力三分力系数是结构变用下桥梁结构会产生变形，由于静力三分力系数是结构变形（扭转角）的函数，因此变形增量会反馈影响风荷载从形（扭转角）的函数，因此变形增量会反馈影响风荷载从而增加一个外荷载增量。如果变形导致刚度降低，将失稳而增加一个外荷载增量。如果变形导致刚度降低，将失稳发散机理发散机理紊流导致的抖振会降低静风失稳临界风速，重要桥紊流导致的抖振会降低静风失稳临界风速，重要桥梁应作静风与颤振抖振的耦合分析梁应作静风与颤振抖振的耦合分析56一类特制二维静风失稳模型二维静风失稳模型扭转发散临界风速为：三维静风失稳分析：考虑三维静风失稳分析：考虑 刚度随变形变化，按非线刚度随变形变化，按非线性理论和静动力荷载联合作用进行分析性理论和静动力荷载联合作用进行分析57一类特制防止静风失稳的抗风设计方法计算或气弹模型试验确定静风失稳临界风速，规范要求它大于两倍设计风速；目前已建桥梁都是有颤振临界风速控制，即静风失稳风速高于颤振临界风速超大跨度桥梁的静风失稳风速有可能控制设计升力系数为负的主梁对增强索支承桥静风稳定性有利58一类特制4、桥梁抗风工程实例59一类特制主要依据湖南大学的风工程研究成果主要依据湖南大学的风工程研究成果国家自然科学基金多项课题资助国家自然科学基金多项课题资助重大工程建设项目委托课题提炼重大工程建设项目委托课题提炼60一类特制湖南大学风工程试验研究中心湖南大学风工程试验研究中心 国内最早开展风工程研究的高校之一国内最早开展风工程研究的高校之一 2002年组建风工程试验研究中心年组建风工程试验研究中心 2004年年10月新的大型风洞投入使用月新的大型风洞投入使用61一类特制62一类特制三自由度强迫振动装置，可同时识别18个颤振导数实际装置（重8吨，造价100万）63一类特制运动控制参数：运动控制参数：运动自由度：竖向、侧向、扭转运动自由度：竖向、侧向、扭转振动频率：振动频率：0.10.13Hz3Hz；振动幅值：竖向振动幅值：竖向4 420mm20mm，侧向，侧向4 420mm20mm，扭转，扭转1 15 5度分级可调；度分级可调；振动类型：无理论运动误差的正弦函数；振动类型：无理论运动误差的正弦函数；主要特点：主要特点：完全数控的系统（三个伺服电机）；完全数控的系统（三个伺服电机）；利用机械的正弦机构驱动模型做无理论误差的简谐运动；利用机械的正弦机构驱动模型做无理论误差的简谐运动；实现了位移信号的测量（由光电编码器反馈脉冲信号测量）实现了位移信号的测量（由光电编码器反馈脉冲信号测量）识别方法识别方法开发了专用识别程序与软件，可按时域法和频域法由振动信号识别开发了专用识别程序与软件，可按时域法和频域法由振动信号识别1818个颤振导数个颤振导数；三自由度强迫振动装置与识别方法三自由度强迫振动装置与识别方法64一类特制桥梁、建筑、核电站冷却塔、输电线塔、移动天线、风力发电机汽车已开展的研究领域65一类特制2011年开始，HD-2风洞在原洞体上方扩建一个8.5m宽，2m高，15m长的新试验段，2012年5月投入运行66一类特制矮寨大桥气弹模型风洞试验67一类特制1、加装稳定板的桥梁明石海峡桥（跨度1991m的悬索桥）桁架加劲梁加稳定板提高了颤振临界风速英国第二Severn桥，采用上下稳定板方案解决了涡振问题湖南大学研究了稳定板的作用机理，应用它解决了湖南矮寨大桥，海南清澜大桥，海南洋浦大桥的颤振和涡振问题 背鳍是鱼的稳定板背鳍是鱼的稳定板68一类特制Severn二桥下稳定板69一类特制2、矮寨大桥的抗风研究矮寨大桥的抗风研究70一类特制矮寨大桥桥址处风环境的地形模型风洞试验用三种研究手段确定了矮寨大桥的设计风速71一类特制桥址处80平方公里范围的流场模拟72一类特制矮寨大桥峡谷高空风环境悬索吊挂式观测系统采用悬索安装风速仪的观测系统，直接观测到330m桥面高度的风速资料主钢丝绳锚固73一类特制桥址处安装的风环境现场观测系统架设的悬索及跨中风速仪 四分点及茶洞岸风速仪主钢丝绳滑轮悬挂装置74一类特制节段模型测振试验优化加劲梁气动特性75一类特制中央分隔带方案抗风气动措施试验成果76一类特制风洞试验表明原设计方案不满足抗风要求，风洞试验表明原设计方案不满足抗风要求，经大量试验研究，最终采用的气动措施是设置高经大量试验研究，最终采用的气动措施是设置高1m的上，下稳的上，下稳定版，实桥的观光通道也起到水平稳定板作用，定版，实桥的观光通道也起到水平稳定板作用，上稳定板设置在分隔带内，几乎不增加风荷载上稳定板设置在分隔带内，几乎不增加风荷载下稳定板高一米，结构上容易实现，很受设计方欢迎下稳定板高一米，结构上容易实现，很受设计方欢迎77一类特制桥面分隔带内的上稳定板78一类特制桥面下桁架内的上稳定板象一根纵梁79一类特制桁架下底面设置两条观光通道，有水平稳定板作用80一类特制5、全桥气弹模型风洞试验81一类特制西南交通大学和湖南路桥公司为矮寨大桥加劲梁安装开发了新的施工工法，以适应该处不宜采用传统的吊装工法的要求82一类特制清澜大桥抗风研究工程概况清澜大桥位于海南省文昌市清澜港，是一跨海湾的大跨度桥梁，其主桥采用双塔三跨斜拉桥，主跨跨跨径布置为124m+300m+124m，如图2-1所示。主梁采用钢-混结合梁形式，由左右两钢箱梁、钢横梁以及混凝土桥面板组成，梁宽34m，梁高2.96m湖南大学风工程试验研究中心湖南大学风工程试验研究中心83一类特制主梁断面湖南大学风工程试验研究中心湖南大学风工程试验研究中心84一类特制气动措施推荐方案采用3道下稳定板和中央分隔带栏杆改为不透风栏杆在竖弯阻尼比1.06%，扭转阻尼比0.96%时，针对没有加高人行道的主梁试验测试结果满足要求，从而作为该桥的成桥状态气动措施推荐方案。85一类特制3.H型截面吊杆风振特性与型截面吊杆风振特性与减振措施减振措施86一类特制2006年年8月，我国某即将完工的拱桥月，我国某即将完工的拱桥H型吊杆型吊杆受台风袭击，发生严重的扭转振动。类似事故国受台风袭击，发生严重的扭转振动。类似事故国外外6070年代就多次发生，表明我国风工程知识年代就多次发生，表明我国风工程知识普及不够，规范也有待完善。普及不够，规范也有待完善。我国一援外桥梁也有同样病害87一类特制研究现状及存在问题没有注意到直立杆件大攻角这一根本特点，仍沿用适用水平杆件的一套惯常做法。风攻角是影响结构空气动力学性能的一个重要参数水平放置的构件的最大攻角一般情况下低于5度。对于直立的杆件，气流的风向角正好是直立杆件的风攻角，可能的风攻角范围是0度至360度。88一类特制试验参数及工况三参数：Z高宽比：1/2.4，1/1.6，1/1和1/0.75Z腹板开孔率：0，14，27，38Z翼板开孔率：0，11，20.1，28.6竖弯阻尼比0.15以内，扭转阻尼比0.1左右。按正交试验法制作了16个模型89一类特制节段模型试验节段模型试验气弹模型试验气弹模型试验90一类特制颤振导数A2*曲线证明1525度区间为颤振失稳区间应用强迫振动法识别大攻角气流下的颤振导数91一类特制开孔率27，20度风偏角的位移时程位移时程节段模型扭转颤振节段模型扭转颤振92一类特制与实桥振动现象一致 气弹模型颤振气弹模型颤振93一类特制用试验和理论分析多种手段证实了直立构用试验和理论分析多种手段证实了直立构件存在大攻角颤振的可能性，这是国内外件存在大攻角颤振的可能性，这是国内外以前的研究从未注意到的问题以前的研究从未注意到的问题94一类特制腹板开孔腹板开孔率越大，率越大，抗驰振性抗驰振性能越好。能越好。H型吊杆驰振性能研究型吊杆驰振性能研究下降段下降段95一类特制开孔率27的涡激共振扭转角均方差 腹板开孔不能改善腹板开孔不能改善H型吊杆抗涡激共振的性能型吊杆抗涡激共振的性能涡振区间涡振区间96一类特制腹板开孔并不能改善腹板开孔并不能改善H形吊杆抗颤振和形吊杆抗颤振和涡振的性能，只是提高了抗驰振性能。涡振的性能，只是提高了抗驰振性能。 结论结论证实了证实了H型吊杆有大攻角颤振的危险性；型吊杆有大攻角颤振的危险性；提出了一套吊杆抗风设计原则与计算公提出了一套吊杆抗风设计原则与计算公式式97一类特制依据东平依据东平大大桥风振实际情况，桥风振实际情况，提出了加设水平抗风提出了加设水平抗风索的永久减振措施索的永久减振措施98一类特制水平抗风索永久减振措施水平抗风索永久减振措施用水平抗风索连接长吊杆和主拱圈用水平抗风索连接长吊杆和主拱圈 东平大桥吊杆抗风索布置设计方案东平大桥吊杆抗风索布置设计方案99一类特制抗风索效果的气弹模型风洞试验对比抗风索效果的气弹模型风洞试验对比无抗风索有抗风索应用动力有限元分析优化后，仅用一道水平抗风索，施应用动力有限元分析优化后，仅用一道水平抗风索，施加合适的预应力，就可以大幅度提高吊杆抗风性能两倍加合适的预应力，就可以大幅度提高吊杆抗风性能两倍以上。以上。经气弹模型风洞试验验证后，东平桥立即安装了水平抗经气弹模型风洞试验验证后，东平桥立即安装了水平抗风索。风索。100一类特制水平抗风索与吊杆和拱的连接水平抗风索与吊杆和拱的连接安装了水平抗风索的东平大桥全景安装了水平抗风索的东平大桥全景抗风索抗风索拱上锚固点五年来，抗风索方法完全抑制了东平大桥吊杆风振，五年来，抗风索方法完全抑制了东平大桥吊杆风振，并已推广至泸州合江长江一桥并已推广至泸州合江长江一桥101一类特制英文论文在美国英文论文在美国ASCEASCE的的Journal of Bridge EngineeringJournal of Bridge Engineering发表，发表，三位匿名评阅人给予了很高评价：三位匿名评阅人给予了很高评价：第一评阅人认为：此文代表了在认识桥梁此文代表了在认识桥梁H型吊杆气动弹性行为方面的新进展。型吊杆气动弹性行为方面的新进展。The paper represents an advancement toward understanding the aeroelasticbehaviorofH-shapedbridgehangers.第二评阅人指出：论文也讨论了以前研究未能发现吊杆在大攻角气流中颤振失稳的论文也讨论了以前研究未能发现吊杆在大攻角气流中颤振失稳的原因。研究工作是原创性的和高质量的。原因。研究工作是原创性的和高质量的。thereasonswhyflutterinstabilityofH-shapedhangersunderlargeattackangleswasnotobservedinpreviousstudieshavebeendiscussed.Theworkisoriginal,ingoodquality第三评阅人强调：本文对于桥梁结构抗风设计很有价值。本文对于桥梁结构抗风设计很有价值。很多桥梁设计者将会认很多桥梁设计者将会认真阅读此文，极大地重视这一问题。真阅读此文，极大地重视这一问题。Thispaperisvaluableforwindresistantdesignofbridgestructures,manybridgedesignerswouldpayalotofattentioninadvancethebridgedesignbyreadingthisrevised“paper国际同行专家评价国际同行专家评价102一类特制4、大跨度钢箱梁悬索桥的大跨度钢箱梁悬索桥的多多阶模态阶模态涡激共振问题研究涡激共振问题研究103一类特制悬索桥的涡振特点悬索桥的涡振特点大跨度悬索桥模态密集，0.6Hz以下可能有多阶模态存在，西堠门桥前十阶模态频率在0.079到0.374之间。已发现有跨度在1500m以上的钢箱梁悬索桥有多阶竖向模态涡激共振现象1,2，发振模态的频率范围在0.2到0.4Hz左右，属第七，第九模态。表1.西堠门大桥前十阶弯曲模态的涡振振幅及容许值1竖弯模态阶次竖弯模态阶次123456789102频率（Hz）0.0790.1000.1120.1320.1780.1840.2290.2730.3240.3743最大振幅（m）0.1830.1750.080.1740.1780.1750.1710.1810.1820.1844容许振幅（m）0.5060.4000.3570.3030.2250.2170.1740.1470.1230.1075观测振幅（m）0.184(1)0.163(2)为何要重视悬索桥高阶模态涡振问题104一类特制为何要重视悬索桥高阶模态涡振问题105一类特制为何要重视悬索桥高阶模态涡振问题若St=0.15，则频率小于0.2Hz的低阶模态起振风速低于6m/s。由于低速风的紊流度相对要大，不易发生涡振；而频率在0.2至0.4Hz的模态起振风速在6至12m/s之间，每年出现的频度高，在平坦地带也容易满足低紊流度条件，因此最常发生涡激共振现象。涡振振幅容许值实际是由行人车辆所能承受的加速度限值换算的，它随模态频率升高而降低，这意味着高阶模态的振幅限值更为严格，必须给以更多关注。106一类特制目前采用的目前采用的预测多多阶模模态涡振振振幅振幅的方法的方法107一类特制按上述理论预测的西堠门大桥竖向前十阶涡振振幅，规范容许振幅和实测振幅竖弯竖弯模态模态阶阶次次12345678910频率频率（Hz）0.0790.1000.1120.1320.1780.1840.2290.2730.3240.374最大振幅最大振幅（m）0.1830.1750.080.1740.1780.1750.1710.1810.1820.184容许振幅容许振幅（m）0.5060.4000.3570.3030.2250.2170.1740.1470.1230.107观测振幅观测振幅（m）0.184(1)0.163(2)108一类特制对这一方法的反思问题问题类别类别1St数是否随模态频率变化而改变数是否随模态频率变化而改变二维流场二维流场2气动阻尼随频率变化后对振幅的影响气动阻尼随频率变化后对振幅的影响二维流场二维流场3Sc数中数中各阶模态阻尼比相等的假定是各阶模态阻尼比相等的假定是否合理？否合理？结构动力学结构动力学4涡激力涡激力（含气动阻尼力）（含气动阻尼力）沿桥跨方向沿桥跨方向分布的相关性与模态振型分布的相关性与模态振型的关系的关系？三维流场三维流场5高阶模态涡振的容许振幅应如何确定高阶模态涡振的容许振幅应如何确定？规范规范109一类特制二维流场研究节段模型风洞试验110一类特制不同悬挂频率的矩形节段模型风洞试验作为基础研究，将钢箱梁简化为一根矩形截面的长条。首先研究它的涡振性能。矩形截面的宽高比取为6，制作了高12cm，宽72cm，长154cm节段模型，在湖南大学HD-2风洞的3m(W)2.5m(H)17m(L)试验段中进行了5组不同悬挂频率下的涡激振动试验。111一类特制不同悬挂频率的矩形节段模型风洞试验五组试验的研究思路同一模型，外形不变保持质量不变，阻尼不变（0.25%），相当于Sc数不变仅悬挂频率由低到高变化检验两个假定（1）外形不变则St数不变（2）如果St、Sc不变，振幅也不变试验组试验组第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组第五组第五组竖弯频率（竖弯频率（Hz）2.44143.41805.12706.10357.3242竖弯阻尼比（竖弯阻尼比（%）0.2490.2500.2470.2490.250系统质量系统质量M（Kg）16.35216.17217.30520.38817.595扭转频率（扭转频率（Hz）4.88286.34779.033210.253911.7188扭转阻尼比（扭转阻尼比（%）0.2420.2420.2370.2380.233表2长宽比6:1的矩形模型风洞试验基本参数112一类特制竖向涡振无量纲振幅（1000y/D）随频率的变化试试验验工工况况竖向频竖向频率率（Hz）竖向竖向涡振涡振1区区竖向竖向涡振涡振2区区12.4420.5320.6223.3417.9417.3534.9621.2651.6645.8419.4238.8856.9819.2143.20竖向涡振振幅的变化规律:第一区振幅基本不变，第二区振幅在前两个工况中与第一区振幅相当，但在第三个工况中突然增加到很大，而在第四、五工况中又有所减小，说明有其它尚未明确的影响因素存在。按现行理论假定，各阶模态的振幅应相等113一类特制试试验验工工况况扭转扭转频率频率(Hz)扭转扭转涡振涡振1区区扭转扭转涡振涡振2区区14.544.699.7526.102.956.4839.160.861.65410.351.001.77512.620.831.69扭转涡振振幅有随频率升高而降低的趋势，且第二区振幅约为第一区的两倍，其原因可能是气动阻尼的影响，待研究。扭转涡振无量纲振幅（1000y/(B/2)）随频率的变化按现行理论假定，各阶模态的振幅应相等114一类特制三维流场研究多点弹性支承矩形梁的气弹模型风洞试验115一类特制新模型的必要性为了通过风洞试验研究涡激力沿桥跨方向分布的相关性是否与模态振型有关的问题，必须制作一个可以模拟多个模态密集分布的气弹模型。一个完整的悬索桥气弹模型从理论上来说是应该具备这一性质，但实际上因缩尺比太小干扰因素太多而无法做到。拉条模型忽略了塔和缆索系统，制作比较容易。它可以模拟悬索桥的一对竖弯和扭转模态，从而可用于悬索桥抗颤振能力的检验。由于拉条模型的刚度由两条平行的张紧的钢丝提供，它的高阶频率分布按自然数增加，即n阶模态的频率是1阶模态频率的n倍，因此，拉条模型不能模拟悬索桥的多模态密集分布特性。116一类特制为了避开塔和缆索系统干扰，单纯研究加劲梁的涡激力跨向相关性与高阶模态振型变化之间的关系，本文提出了一种新型气弹模型-多点弹性支承梁的气弹模型多点弹性支承梁的气弹模型；117一类特制模型刚度由一条薄钢板提供，外形用泡沫塑料板制作。采用激振法测定气弹模型的各阶竖弯模态的频率和振型，与有限元模型比较后可研究板条的剪切刚度对高阶模态的影响。调试好后模型将在HD-2风洞的8.5m(W)2m(H)15m(L)的开口试验段进行均匀流场和紊流场下的涡振试验，直接测定各阶模态振幅与风场及模型结构参数之间的关系。目前模型制作快完成，将用于研究各阶模态的频率，振型变化与气动阻尼，涡激力的关系，最终为正确预测涡振振幅提供依据。118一类特制我国公路桥梁抗风规范采用与日本规范相同的涡振振幅容许值规定，容许值与模态频率成反比，竖弯模态的涡振振幅容许值为这里应是验算模态的频率，随模态不同而不同。显然高阶模态涡振振幅容许值随频率升高迅速减小。就这一规定的理由，本文作者咨询了多位日本学者。日本东京大学TomomiYAGI教授给出了如下解释。由桥梁的竖向弯曲振动的频率近似公式f=100/L和涡振时桥梁加速度不宜超过100gal（1m/s2）的要求，可得对应的涡振最大容许速度为，取L=160m，再由振幅与速度的关系得到最大容许振幅公式，高阶模态涡激共振的容许振幅由于用了小跨度的基频值，公式在频率低于100/160时比直接按加速度计算振幅要更严格。119一类特制大跨度桥梁高阶模态的阻尼比结构阻尼比实测问题阻尼比只能在结构建成后实测。环境振动法不能精确测量结构阻尼比现场稳态激振试验才是精确测量大跨度桥梁多阶模态阻尼比的唯一手段。大跨度桥梁的现场稳态激振很难实现，至今只有美、日等国拥有这一技术图1是韩国永宗桥使用的激振器，每台总重量37吨，共用两台。120一类特制多多罗桥实测阻尼比模态模态频率（频率（Hz）阻尼比阻尼比( )振幅（振幅（cm）水平水平对称一阶0.0970.0219.4反对称一阶0.2490.0344.0对称二阶0.4700.0271.1竖直竖直对称一阶0.2260.003830.5反对称一阶0.2630.002822.6对称二阶0.3480.00119.5扭转扭转对称一阶0.4970.00274.8反对称一阶反对称一阶0.8310.00811.6多多罗桥实测阻尼比普遍低于我国规范值0.005，竖向二阶模态阻尼比只有一阶的三分之一。我们在气弹模型制作中也发现，各阶模态阻尼比相等的假定是有待改进的。我国应实测一批大桥的模态阻尼比，为设计提供依据121一类特制小结大跨度钢箱梁悬索桥存在多个模态分别在不同风速下发生涡激共振的可能性。矩形断面长条可反映多阶模态涡振的基本特性，适合对各个影响因素的作用进行基础研究。节段模型风洞试验表明St数不随模态频率变化，但影响振幅的因素尚待研究。多点弹性支撑连续梁的新型气弹模型，可以准确模拟更多阶的竖弯模态，从而可用于研究风场相关性对涡振的影响。对频率低于100/160的模态，规范比直接由加速度限值反算容许振幅要更严格我国规范的模态阻尼比的取值可能偏大。我国应尽快开展大跨度桥梁现场稳态激振试验，指导今后超大跨度桥梁的抗风设计。122一类特制5、电涡流调谐质量阻尼器的开发与矩形吊杆减振应用123一类特制TMD的理论基础（一）（一） Frahm（1909）的吸震器原理）的吸震器原理（可参考：T.T.Song 著结构工程中的被动消能系统）如如图1所示。可以所示。可以证明当小明当小质量的量的频率率 等于等于激振激振力力 的的频率率时，大，大质量保持静止量保持静止。但两。但两频率相等的条件在率相等的条件在实际结构中很构中很难实现或保或保持持图1、吸振器原理图（ 一）调谐质量阻尼器TMD简介124一类特制（二）（二）有阻尼体系的有阻尼体系的TMD（Den Hartog理论）理论）质量比一般为0.01左右最优频率比最优阻尼比125一类特制TMD的主要构件1、阻尼器，2、导向系统，3、运动质量块，4、弹簧，5、底座126一类特制TMD应用范围应用范围无法直接连接阻尼器的场合振动应有较明显的主频率成分，不太适合抗震和拉索减振常用于高层建筑，人行桥，也用于柔性桥梁，拱桥吊杆等127一类特制伦敦千禧（Millennium）桥全景128一类特制背景材料：伦敦Millennium桥的振动129一类特制安装在桥梁跨中的竖向TMD千禧桥后来安装了大量TMD和阻尼器，解决了人致振动问题130一类特制图1台北101大厦的摆式TMD减振装置台北101大厦在87-89层安装摆式TMD减振系统，TMD减振系统的摆动周期为7s，质量块为由41层12.5cm厚的钢板组成的球体（总重达660吨），质量块下共设置了7个斜向支撑的大型油压粘滞阻尼器，结果表明安装减振装置后加速度响应减小40%，131一类特制开发电涡流阻尼调谐质量阻尼器（开发电涡流阻尼调谐质量阻尼器（TMD）目前已有TMD产品的主要问题是阻尼构件易损耗、后期调节难、需要较多的维护等，应用于桥梁困难较大，桥梁用TMD安装后维护难度大于建筑结构，桥梁TMD所有构件的疲劳寿命应在1000万次以上电涡流TMD可以提供一个理想的解决方案为什么？为什么？132一类特制电涡流阻尼原理与优点由永磁铁和铜板构成，是目前唯一一种不依靠摩擦力产生阻尼不依靠摩擦力产生阻尼的装置当TMD工作时铜板切割永磁体的磁力线，马上产生一个阻碍两者相对运动的力并在铜板内产生电涡流，电涡流立即在铜板内发热耗散能量。由于这一过程，结构振动机械能最终转换为热能消耗掉。优点优点：彻底解决疲劳和维护问题。因为它无工作流体，无需密封，不会出现漏液问题；无接触无磨耗，不存在摩擦阻尼；材料耐久性高。理想的线性粘滞阻尼特性；阻尼系数由铜板与磁钢之间的距离调节；无附加刚度；永磁体同时也是运动质量的一部分，不增加无效质量133一类特制已开发的2种电涡流TMD阻尼器样品国家发明专利授权证书：201010022003.7电涡流阻尼水平减振调谐质量阻尼器（电涡流阻尼水平减振调谐质量阻尼器（TMDTMD）20112011年获得国家发明专利，年获得国家发明专利，大质量TMD用于桥梁，输电塔等小质量TMD用于吊杆134一类特制拱桥矩形吊杆的涡振现象日本某桥矩形吊杆涡振实况135一类特制榕江大桥工程概况全桥孔跨布置：(110+2220+110)m跨径布置示意图（半桥）钢桁柔性拱桥：n钢梁全长662mn边跨与中跨之比为0.5n梁端距支座中心1.0m矩形吊杆矩形吊杆136一类特制悬臂梁立式永磁电涡流TMD厦深铁路榕江特大桥厦深铁路榕江特大桥厦深铁路榕江特大桥吊杆实施减振方案厦深铁路榕江特大桥吊杆实施减振方案减振实施方案风洞试验表明，最风洞试验表明，最长的五种长的五种36根根吊吊杆在设计风速下可能发生大幅度涡杆在设计风速下可能发生大幅度涡振，需要安装振，需要安装TMD减振；减振；每根吊杆安装每根吊杆安装4个个悬臂梁立式永磁悬臂梁立式永磁电涡流电涡流TMD，分别控制顺桥向和横，分别控制顺桥向和横桥向桥向振动，振动，2012年五月开始安装。年五月开始安装。137一类特制输电塔应用电涡流TMD减振现场试验国家电网中国电科院特高压线路杆塔试验基地国家电网中国电科院特高压线路杆塔试验基地实现了预期减振目实现了预期减振目标；验证了标；验证了TMD的的减振效果。减振效果。138一类特制6.拉索风雨振观测与磁流变阻尼器拉索风雨振观测与磁流变阻尼器振动控制技术振动控制技术139一类特制6.16.1、风雨振机理研究、风雨振机理研究建立了一个风雨振长期现场观测系统建立了一个风雨振长期现场观测系统(a)(b)研究内容分为风雨振机理研究和振动控制研究两个部分研究内容分为风雨振机理研究和振动控制研究两个部分现场试验系统布置图现场试验系统布置图140一类特制塔上三向超声风速仪桥面风速仪索上加速度传感器桥面雨量计141一类特制驰振驰振振动由某一阶模态控制振动由某一阶模态控制振动模态为振动模态为1 14 4阶阶存在主模态转移现象存在主模态转移现象拉索的振动轨迹是一个斜置的椭圆拉索的振动轨迹是一个斜置的椭圆振动位移轨迹振动位移轨迹风雨振振动形态主要特征风雨振振动形态主要特征142一类特制降雨是拉索发生大幅度风雨激振的必要条件降雨是拉索发生大幅度风雨激振的必要条件小到中雨都可能发生风雨振小到中雨都可能发生风雨振风风雨雨振振与与雨雨量量的的关关系系143一类特制风雨振发生的起振风速为风雨振发生的起振风速为6m/s，比日本、美国报道的低，比日本、美国报道的低振幅随风速增加而增大振幅随风速增加而增大6m/s风风雨雨振振与与风风速速的的关关系系144一类特制风雨振时风与斜拉索的相对偏航角为风雨振时风与斜拉索的相对偏航角为1010o o-50-50o o振幅对风向十分敏感振幅对风向十分敏感1010 5050风风雨雨振振与与风风向向的的关关系系145一类特制时时 间间位位 置置紊流强度紊流强度标准值标准值(类场地类场地) )Iu Iv Iw Iu Iv Iw 2003年4月1日2日16:5121:36桥面(2030)0.09160.08550.07780.130.110.0722:1002:48桥塔(100150)0.06550.05280.07470.100.090.0516:5121:36桥面(2030)0.09380.09880.08240.130.110.0722:1002:48桥塔(100150)0.07440.07670.07920.100.090.052004年4月18日19日7:319:15桥面(2030)0.09480.09120.06810.130.110.079:1712:29桥面(2030)0.10600.08740.06550.130.110.0712:3011:57桥面(2030)0.11780.09450.06010.130.110.074月28日29日21:3203:22桥面(2030)0.11190.09090.05610.130.110.07风雨振时实测的紊流强度小于标准的风雨振时实测的紊流强度小于标准的类场地紊流强度类场地紊流强度值值, ,证明处于平坦地形的桥梁易于激发拉索风雨振。证明处于平坦地形的桥梁易于激发拉索风雨振。风风雨雨振振与与风风场场紊紊流流度度的的关关系系146一类特制少部分响应表现为单模态振动，而大部分响应则表现为多模态参与的振动。少部分响应表现为单模态振动，而大部分响应则表现为多模态参与的振动。拉索风雨振的主振模态包括第一至第四阶固有模态，振动频率主要在拉索风雨振的主振模态包括第一至第四阶固有模态，振动频率主要在4Hz4Hz以内；以内；风雨振动主振模态及模态参与特性147一类特制激振法测定减振效果和最优控制调试激振法测定减振效果和最优控制调试 （开发了专门的激励装置）（开发了专门的激励装置）实测风雨振环境下减振效果实测风雨振环境下减振效果现场实验系统布置图6.2 6.2 磁流变阻尼器减振方法现场试验研究磁流变阻尼器减振方法现场试验研究148一类特制激振器开始激振（图为试验用磁流变减振器，定型的减振器见下文）149一类特制无阻尼器阻尼器电压0.5V实测减振效果模态阻尼比与电压关系有阻尼器无阻尼器150一类特制拉索磁流变减振系统减少振幅为原来的拉索磁流变减振系统减少振幅为原来的1/301/30，减振效率达到，减振效率达到97%97%。风雨振环境下的实际减振效果风雨振环境下的实际减振效果风雨振环境下的实际减振效果风雨振环境下的实际减振效果151一类特制洞庭湖大桥拉索减振系统可靠耐用美观152一类特制q 洞庭湖大桥拉索减振系统被评论为世界上最先应用洞庭湖大桥拉索减振系统被评论为世界上最先应用磁流变阻尼器减振实际桥梁工程磁流变阻尼器减振实际桥梁工程美国土木工程师协会杂志Civil Engineering Magazine，2003，第1期，P40日本的一个博物馆和日本的一个博物馆和中国的一座斜拉桥是最先中国的一座斜拉桥是最先应用磁流变减振系统的两应用磁流变减振系统的两个土木工程结构个土木工程结构MR磁流变阻尼器也应用于中国一座斜拉桥抑制风雨引起的拉索振动。位于中国湖南的洞庭中国湖南的洞庭湖大桥湖大桥在强风雨下振幅达到1米，由一种MR阻尼器构成的减振系统于20022002年年4 4月安装月安装在该桥不同长度的成百根拉索上。153一类特制20032003年，发明了一种适合桥梁环境的年，发明了一种适合桥梁环境的永磁调永磁调节式节式磁流变阻尼器磁流变阻尼器 发明专利号：发明专利号：ZL200500311108.8ZL200500311108.8永磁调节式磁流变阻尼器特特 点：点：不需电源，可靠性高，适用不需电源，可靠性高，适用范围广范围广拉索减振单元 6.3 6.3 永磁调节式磁流变阻尼器开发及工程应用永磁调节式磁流变阻尼器开发及工程应用 154一类特制永磁调节式磁流变阻尼器应用于洪山大桥(其中最长索为289m)155一类特制永磁调节式磁流变阻尼器减振效果永磁调节式磁流变阻尼器减振效果 2006 2006年年4 4月月1212日，湖北、湖南大风大雨，最大瞬时风速超过日，湖北、湖南大风大雨，最大瞬时风速超过35m35m/ /s s，洪山大桥减振系统效果良好。，洪山大桥减振系统效果良好。156一类特制同一天，离长沙150公里处某桥阻尼器被风雨振损坏粘滞体液化流出拉索保护层损坏索夹被振掉临时加钢丝绳减振157一类特制目前，永磁式磁流变阻尼器交给OVM公司在国内推广，如北京上地斜拉桥，全部拉索安装了永磁式磁流变阻尼器。158一类特制与国外拉索减振技术的比较洞庭桥拉索减振器（国内）国外公司安装的拉索减振器阻尼器全部为磁流变阻尼器，每索2个油阻尼器为主，少数长索用磁流变阻尼器，每索1个索夹不锈钢铸件普通钢板连 接 方式三向设铰仅单向铰保护套不锈钢管普通钢管附 加 措施无拉索打凹坑，长索再加螺旋线合同价国产的2-3倍159一类特制7、斜拉索参数振动研究160一类特制实桥斜拉索参数振动可能性研究鄂东长江公路大桥位于湖北省黄石长江水道上游，该桥主跨为926米的钢-混凝土混合梁。大桥采用密索体系，最长拉索接近500m，拉索固有频率分布广，容易满足拉索参数共振的条件，从而激起拉索大幅振动。161一类特制参数振动的试验研究1cm偏心轮激励2cm偏心轮激励在满足频率比的前提下，振幅与激励的大小有关，162一类特制Searss函数由理想平板导出，只考虑风的竖向脉动分量一般钝体的气动导纳函数可用风洞试验方法经分析得到湖南大学（陈政清，韩艳等）开发了一种气动导纳的分频率识别方法和相应的主动格栅装置8、气动导纳的分频率识别方法、气动导纳的分频率识别方法抖振力研究163一类特制主动格栅装置164一类特制与Sears函数的比较AmplitudesPhases(i)阻力的气动导纳与sears函数完全不同165一类特制9、尾流干扰问题、尾流干扰问题166一类特制 双幅桥面桥梁由于主梁距离较近，在气流作用下，上游桥面与下游桥面之间存在 “气动干扰效应”，双幅桥之间的气动干扰是大跨度双幅桥面桥梁抗风设计中应予关注的问题。（一）双主梁（缆）桥的气动干扰（一）双主梁（缆）桥的气动干扰167一类特制大跨高墩刚构桥的气动干扰山店江大桥，双幅桥主跨200m，墩高180m，两幅桥面净距24m，高风速下尾流使下游桥梁振动。168一类特制研究背景研究背景平胜大桥平胜大桥共用桥塔，但两主共用桥塔，但两主梁完全分离梁完全分离平胜桥模型平胜桥模型169一类特制颤振临界风速随距离的增加颤振临界风速随距离的增加而提高而提高对应平胜桥实桥状态，气动干对应平胜桥实桥状态，气动干扰使颤振临界风速降低扰使颤振临界风速降低40气动干扰对双幅桥临界风速和颤振导数的影响（基于平胜桥模型）气动干扰对双幅桥临界风速和颤振导数的影响（基于平胜桥模型）170一类特制佛山平胜大桥为世界最大的佛山平胜大桥为世界最大的独塔自锚式悬索桥，有独塔自锚式悬索桥，有4 4个个主缆索面，且中间两主缆相主缆索面，且中间两主缆相距只有距只有5.5m5.5m，存在气动干扰，存在气动干扰问题问题工程背景工程背景171一类特制某桥亮化工程某桥亮化工程原设计方案：沿拉索每隔一米左右安装抱箍灯，两边用9mm钢丝绳固定，钢丝绳与拉索前后平行。截截面面图图尾流干扰实例尾流干扰实例2 2 : :拉索驰振拉索驰振172一类特制尾流干扰实例尾流干扰实例2 2 : :拉索驰振拉索驰振据风洞试验修改了设计方案，避免了损失节段模型节段模型173一类特制北京市最高立交桥，位于京新高速公路（五环路-六环路段。桥长3公里，主塔高99米，上有斜拉索88根，其中最长索222米，最大索重27吨。上地立交桥连续跨越国铁京包线、城铁十三号线、规划京张城际铁路和两处地方道路。北京上地铁路立交桥拉索照明方案依据风洞试验结果修改了设计。174一类特制