風(fēng)振及風(fēng)振控制4-渦振課件

二、風(fēng)致振動(dòng)

1.渦激振動(dòng)2.顫振3.馳振4.抖振LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity二、風(fēng)致振動(dòng) 1.渦激振動(dòng)LiJiawu,TheFac11.渦激振動(dòng)1.1卡門渦旋1.2渦激振動(dòng)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(dòng)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(xué)中重要的現(xiàn)象，在一定條件下的定常來(lái)流繞過(guò)某些物體時(shí)，物體兩側(cè)會(huì)周期性地脫落出旋轉(zhuǎn)方向相反、排列規(guī)則的雙列線渦，經(jīng)過(guò)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(xué)家，近代力學(xué)的奠基人之一，是我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森、錢偉長(zhǎng)、郭永懷，以及美藉華人科學(xué)家林家翹在美國(guó)加州理工學(xué)院時(shí)的導(dǎo)師。馮·卡門1881年5月11日出生于匈牙利布達(dá)佩斯16歲的馮·卡門在1898年11月進(jìn)了布達(dá)佩斯皇家工學(xué)院1906年去德國(guó)哥廷根（G?ttingen）大學(xué)求學(xué)，師從普朗特（LudwigPrandtl1875-1953）教授。第一次世界大戰(zhàn)期間，馮·卡門應(yīng)召為奧匈帝國(guó)服務(wù)4年。戰(zhàn)后曾任匈牙利蘇維埃共和國(guó)教育部大學(xué)副部長(zhǎng)。后他又回到德國(guó)亞琛工學(xué)院任教，擔(dān)任亞琛空氣動(dòng)力學(xué)研究所所長(zhǎng)。1929年底起定居美國(guó),任加州理工學(xué)院古根海姆空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任。后來(lái)建立了美國(guó)火箭技術(shù)中心——噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.1.2馮·卡門馮·卡門（Theodorevon51.1.2馮·卡門作為德國(guó)亞琛工學(xué)院空氣動(dòng)力學(xué)研究所和美國(guó)加州理工學(xué)院古根海姆空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的領(lǐng)導(dǎo)，帶領(lǐng)了兩代科學(xué)家和工程師進(jìn)入了科學(xué)技術(shù)的前沿領(lǐng)域，為航空和航天工程奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。馮·卡門培育出了大批杰出的人才,他的學(xué)生遍及五大洲，被譽(yù)稱為“卡門科班”。

LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.1.2馮·卡門作為德國(guó)亞琛工學(xué)院空氣動(dòng)力學(xué)研究所和美61.2渦激振動(dòng)1.2.1渦激振動(dòng)

風(fēng)流經(jīng)鈍體結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)在結(jié)構(gòu)的兩側(cè)產(chǎn)生不對(duì)稱的旋渦脫落，使結(jié)構(gòu)表面受到周期性的正負(fù)壓力，在一定風(fēng)速下結(jié)構(gòu)所受合力的頻率與結(jié)構(gòu)的自振頻率一致，此時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生渦激共振。渦激振動(dòng)是一種簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其振動(dòng)形式通常表現(xiàn)為橫風(fēng)向振動(dòng)或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。結(jié)構(gòu)振幅較大時(shí)，結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)對(duì)氣體的繞流形態(tài)產(chǎn)生反饋?zhàn)饔茫剐郎u脫落頻率在一定風(fēng)速范圍內(nèi)和結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)頻率相等，即渦激共振的“鎖定”現(xiàn)象。鎖定現(xiàn)象增加了結(jié)構(gòu)發(fā)生渦振的機(jī)率，增強(qiáng)了三維結(jié)構(gòu)上的渦激力的相關(guān)性。渦激振動(dòng)是一種限幅振動(dòng)，對(duì)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和阻尼較為敏感，當(dāng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量和阻尼均較小時(shí)，渦激共振振幅可能很大。渦激振動(dòng)常發(fā)生在較低風(fēng)速下，出現(xiàn)頻度較高，易使結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生疲勞破壞、人感不適、危及行車安全。LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.2渦激振動(dòng)1.2.1渦激振動(dòng)LiJiawu,Th71.2.2圓柱渦激振動(dòng)特點(diǎn)（與Re有關(guān)）亞臨界范圍（3.0×102<Re<3.0×105)，旋渦以一個(gè)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(wú)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(jié)構(gòu)上的氣動(dòng)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(dāng)鈍體截面受到均勻流的作用時(shí)，截面背后的周期性旋渦脫落交產(chǎn)生周期性變化的空氣作用力——渦激力，當(dāng)其頻率與結(jié)構(gòu)頻率一致時(shí)，將發(fā)生渦激共振。LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.2.2圓柱渦激振動(dòng)特點(diǎn)（與Re有關(guān)）亞臨界范圍（3.081.2.2圓柱渦激振動(dòng)LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity1.2.2圓柱渦激振動(dòng)LiJiawu,TheFacu91.2.3Strouhal數(shù)及“鎖定”現(xiàn)象1.2.3Strouhal數(shù)及“鎖定”現(xiàn)象當(dāng)被繞流的物體不是固定不動(dòng)的，而是一個(gè)振動(dòng)體系時(shí)，周期性渦激力將引起體系的渦激共振，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)對(duì)旋渦的脫落產(chǎn)生一種反饋?zhàn)饔?，使旋渦脫落頻率在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)被“俘獲”，即在該風(fēng)速范圍內(nèi)物體的固有頻率控制了渦脫的頻率，從而產(chǎn)生了一種“鎖定”現(xiàn)象。在鎖定區(qū)內(nèi)，渦脫頻率不再服從Strouhal關(guān)系式，而是保持固有頻率值不變。在鎖定區(qū)，物體振幅可達(dá)到結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向尺寸的幾分之一。當(dāng)被繞流的物體不是固定不動(dòng)的，而是一個(gè)振動(dòng)體系時(shí)，周期性渦激111）Strouhal數(shù)的影響因素截面形狀雷諾數(shù)(對(duì)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(fēng)振及風(fēng)振控制4-渦振ppt課件風(fēng)振及風(fēng)振控制4-渦振ppt課件1.2.4易發(fā)生渦激振動(dòng)構(gòu)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(dòng)構(gòu)件1）主梁（西堠門）LiJia161.3渦激振特點(diǎn)是一種較低風(fēng)速區(qū)發(fā)生的有限振幅振動(dòng)只在某一風(fēng)速區(qū)域內(nèi)發(fā)生最大振幅對(duì)阻尼有很大的依賴性斷面形狀的微小變化對(duì)響應(yīng)很敏感渦激振動(dòng)可以激起彎曲振動(dòng)，也可以激振扭轉(zhuǎn)振動(dòng)主梁、橋塔、斜拉索及吊桿均會(huì)發(fā)生渦振1.3渦激振特點(diǎn)是一種較低風(fēng)速區(qū)發(fā)生的有限振幅振動(dòng)17181.3.1主梁渦振實(shí)例成橋后的振動(dòng)實(shí)例181.3.1主梁渦振實(shí)例成橋后的振動(dòng)實(shí)例18191.3.1主梁渦振實(shí)例成橋后的振動(dòng)實(shí)例191.3.1主梁渦振實(shí)例成橋后的振動(dòng)實(shí)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(qiáng)烈西風(fēng)行走困難橋梁搖晃未作觀測(cè)漸漸忘卻（Tacoma垮橋）1941.2.1

瞬時(shí)風(fēng)速27m/s持續(xù)3小時(shí)水平攻角45°風(fēng)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(wú)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)記錄原因Tacoma橋板梁桁架化抗風(fēng)措施金門橋桁架開(kāi)孔率>25﹪

斜風(fēng)導(dǎo)致實(shí)際開(kāi)孔率下降？

1.3.2金門橋主梁渦振221938.2強(qiáng)烈西風(fēng)行走困難橋梁搖2223橋軸方向序號(hào)

風(fēng)向

風(fēng)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(fēng)導(dǎo)致實(shí)際開(kāi)孔率下降導(dǎo)致振動(dòng)”的假定1950.6.6

西風(fēng)

風(fēng)速20.03~24.92m/s

振幅114.3cm短時(shí)反對(duì)稱一次扭轉(zhuǎn)振動(dòng)出現(xiàn)1.3.2金門橋主梁渦振23橋軸方向序號(hào)風(fēng)向風(fēng)速m/s23241951.12.1

西風(fēng)風(fēng)速30.08m/s振幅335cm

南?！た咸匦〗愕墓适孪挛绾团笥殉塑囘^(guò)橋，經(jīng)過(guò)南塔后遭遇強(qiáng)風(fēng)左打右轉(zhuǎn)方向，汽車倒退不前，橋上已看不見(jiàn)其他車輛想起了Tacoma橋，當(dāng)車開(kāi)過(guò)北塔到達(dá)北岸看到了等候過(guò)橋的長(zhǎng)長(zhǎng)的車隊(duì)金門橋開(kāi)通14年來(lái)，首次封閉交通2小時(shí)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(dòng)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(jīng)驗(yàn)線性模型LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity2)渦振力模型-經(jīng)驗(yàn)線性模型LiJiawu,TheF291.4.2渦激共振風(fēng)速估算豎向渦激共振發(fā)生風(fēng)速扭轉(zhuǎn)渦激共振發(fā)生風(fēng)速對(duì)于一般鈍體斷面的構(gòu)件,可以用下式估算1.4.2渦激共振風(fēng)速估算豎向渦激共振發(fā)生風(fēng)速扭轉(zhuǎn)渦激共振發(fā)1.4.3渦振振幅估計(jì)1.4.3渦振振幅估計(jì)31風(fēng)振及風(fēng)振控制4-渦振ppt課件1.4.4實(shí)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(zhuǎn)渦激共振振幅4)扭轉(zhuǎn)渦激共振允許振幅3)豎向渦激共振允許振幅1.4.4實(shí)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(shí)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(yīng)力

（KPa）主梁材料彎曲容許應(yīng)力[]（KPa）等效渦振容許應(yīng)力幅值比

(%)南京長(zhǎng)江三橋19612.5210×1039.3江海直達(dá)橋方案I19119.0210×1039.1江海直達(dá)橋方案II19447.3210×1039.35)主梁渦振振幅對(duì)應(yīng)的應(yīng)力1.4.4實(shí)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(dòng)裝置抑制馳振或渦激共振氣動(dòng)措施不能滿足抗風(fēng)要求時(shí)，可采取阻尼裝置或主動(dòng)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(dòng)361.4.5橋塔和高墩渦振/馳振1)橋塔渦激振動(dòng)36371.4.5橋塔和高墩渦振/馳振德國(guó)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(guó)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(dòng)減振381.4.5橋塔和高墩渦振2）橋塔渦激振動(dòng)減振38391.4.5橋塔和高墩渦振2）橋塔渦激振動(dòng)減振391.4.5橋塔和高墩渦振2）橋塔渦激振動(dòng)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(zhǎng)江三橋鋼塔段底部截面0.215178.6820.1203江海直達(dá)橋方案I鋼塔段底部截面0.1321020.1294江海直達(dá)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(dòng)LiJiawu,TheFacultyofHighw43LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity2）拉索振動(dòng)機(jī)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(dòng)的機(jī)理451.4.6拉索和吊桿渦振/馳振拉索振動(dòng)的機(jī)理45461.4.6拉索和吊桿渦振/馳振拉索風(fēng)雨振尾流馳振461.4.6拉索和吊桿渦振/馳振拉索風(fēng)雨振尾流馳振46LiJiawu,TheFacultyofHighway,Chang'anUniversity2）拉索振動(dòng)機(jī)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(jié)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(shè)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(jié)器和輔助索511.4.6拉索和吊桿渦振/馳振拉索間的聯(lián)結(jié)器和輔助索51521.4.6拉索和吊桿渦振/馳振（2）氣動(dòng)外形--拉索間的聯(lián)結(jié)器拉索的表面凸起521.4.6拉索和吊桿渦振/馳振（2）氣動(dòng)外形--拉索52531.4.6拉索和吊桿渦振/馳振（2）氣動(dòng)外形----拉索的表面加工531.4.6拉索和吊桿渦振/馳振（2）氣動(dòng)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