巖土工程師：大跨度橋梁顫振穩定性研究(一)
發布時間：2010-01-14 共1頁
摘要：本文從古典耦合顫振理論、分離流顫振模型和三維橋梁額振分析等三個方面簡要回顧了空氣動力作用下大跨度橋梁風振穩定性研究的歷史，比較全面地綜述了橋梁額振穩定性理論由簡單到復雜，由解析方法到數值方法、由二維顫振到三維額振以及由多模態參與到全模態參與的發展過程。為了便于定量地比較這幾種顫振分析理論和方法的適宜條件和精度，以完全流線形的懸臂機翼和鈍體截面的上海南浦大橋為例，計算和分析了顫振臨界風速的數值結果。
關鍵詞：空氣動力學 大跨度橋梁 顫振 穩定性 臨界風速
一、前言
浸沒在氣流中的任一物體，都會受到氣流的作用，這種作用通常稱為空氣力作用。當氣流繞過一般為非流線形（鈍體）截面的橋梁結構時，會產生渦旋和流動的分離，形成復雜的空氣作用力[1].當橋梁結構的剛度較大時，結構保持靜止不動，這種空氣力的作用只相當于靜力作用；當橋梁結構的剛度較小時，結構振動得到激發，這時空氣力不僅具有靜力作用，而且具有動力作用[2].風的動力作用激發了橋梁風致振動，而振動起來的橋梁結構又反過來影響空氣的流場，改變空氣作用力，形成了風與結構的相互作用機制。當空氣力受結構振動的影響較小時，空氣作用力作為一種強迫力，引起結構的強迫振動；當空氣力受結構振動的影響較大時，受振動結構反饋制約的空氣作用力，主要表現為一種自激力，導致橋梁結構的自激振動。當空氣的流動速度影響或改變了不同自由度運動之間的振幅及相位關系，使得橋梁結構能夠在流動的氣流中不斷汲取能量，而該能量又大于結構阻尼所耗散的能量，這種形式的發散性自激振動稱為橋梁顫振[3].橋梁顫振物理關系復雜，振動機理深奧，因而橋梁顫振穩定性研究也經歷了由古典耦合顫振理論到分離流顫振機理再到三維橋梁顫振分析的發展過程。
二、古典耦合顫振理論
盡管由氣動彈性影響所引起的機翼動力失穩現象早在人類實現空中飛行夢想的最初年代里已經觀察到了，但是非定常機翼顫振理論直到20年代初才取得了實質性的進展。
1. Theodorsen機翼顫振理論
1922年，Bimbaum利用Prandtl的約束渦旋理論，提出了第一個簡諧振動平板機翼的氣動升力解析表達式。此后 Theodorsen，Wagner，Glanert，Kussner，Duncan和 Collar等氣動專家對二維振動平板的非定常氣動力表達式進行了10多年的深入研究[4，5]，直到 1935年，才由Theodorsen用勢能原理第一次求出了這一問題最完整的解答
