（机械设计及理论专业论文）岸桥圆截面杆件涡激振动的直条肋抑制模拟实验.pdf

摘要 岸边起重机作为一种高耸结构，对地震及风荷载的影响十分敏感。尤其是近年 来，起重机数量增多，高度增加，风致振动影响愈来愈多，风毁事故也时有发生， 风致振动问题也越来越受到设计及使用单位的重视。学位论文主要分析研究了岸边 集装箱起重机圆截面杆涡激振动的危害及抑制其横风向振动的必要性，列举了现有 的抑振措施及不足之处，提出了可能比较有效的涡激振动抑制形式，并针对抑制形 式的具体结构进行了大量的模拟实验研究，最后根据实验结果为实际应用提出了改 进建议 岸边起重机杆件的风致振动的主要表现形式为横风向的振动，而其中又以涡激 振动为主，这种振动是由于风吹过杆件时，在该杆件两侧背后产生交替脱落的漩涡 造成的，并且当漩涡脱落频率与杆件的固有频率接近时，杆件会产生漩涡脱落共振 或称涡激共振。 杆件的共振风速和杆件自身的自振频率有很大关系。而杆件自振频率又受很多 因素的影响，实际应用中最主要的是受杆件两端约束条件的影响。文章主要分析计 算了岸边集装箱起重机的圆截面斜撑杆在理想状态、实际使用状态以及改进约束形 式后的自振频率以及相应的共振风速，通过对比不同约束状态下的自振频率及共振 风速的变化情况得出一定的结论，该结论可供实际设计时参考。 为了抑制岸边起重机上的圆形截面杆件的风致振动，尤其是横风向涡激共振现 象，有多种结构振动控制方式，最方便的就是在圆截面杆身表面安装一些气动干扰 器，以打乱涡流脱落的规律性，减少横风激振力而目前岸边起重机的结构设计尚 未采取非常有效的控振措旌。本论文就是针对这一现象，先从理论上研究分析了引 起这些杆件风致振动的原因以及影响其共振风速的因素，然后使用钢管进行具体实 验模拟了圆截面杆件的风致振动。最后采用了打孔的不问断条肋作为气动干扰器作 为抑振装置，对不同孔数的不间断条肋在钢管上进行了多种对比实验，并选用不同 肋数的条肋进行试验，根据实验结果列出了各种情况下的对比图，最后根据实验结 果对实际应用提出了一些抗振措施的建议 本课题由上海市教委重点学科建设项目资助，项目编号i 0 6 0 1 关键词：涡激振动，共振风速，振动控制，圆截面杆，岸边起重机 t h eq u e y s i d ec o n t a i n e rc r a n e a so n ek i n dt a j ia n de r e c ts t r u c t u r e 。i s e x t r e m e l ys e n s f f i v et ot h ee a r t h q u a k ea n dt h ew i n di o a di n f l u e n c e 。t h eq u a n t 耐o f q u a y s i d ec o n t a i n e rc r a n ei n c r e a s e d ，a n dt h eh e i g h to fq u a y s i d ec o n t a i n e rc r a n e a i h i g h l yi n c r e a s e di nt h er e c e n ty e a r s s ot h ew i n dv i b r a t i o na f f e c t sm o r ea n d m o r e ，a n dt h ed e s t r u c t i o na c c i d e n t sc a u s e db yt h ew i n da i s os o m e t i m e so c c u r r e d s ot h ew i n dv i b r a t i o nq u a s u o n sc a l lt h ed e s i g n i n gd e p a r t m e n t sm o r ea n dm o r e a r e n t i o n s 1 1 1 i sd i s s e r t a t i o nm a i n l ya n a l y z e da n dr e s e a r c h e dt h eh a r mo fv o r t e x v i b r a t i o ni nt h er o u n dc r o s s - s e c t i o nm do fq u a y s i d ec o n t a i n e rc r a n ea n dt h e n e c e s s a r yt oc o n t r o lt h et r a n s v e r s ew i n dd i r e c t i o nv i b r a t i o n t h ec u r r e n tm e a s u r e s o fc o n t r o lv i b r a t i o na n dt h ed i s a d v a n t a g eo ft h e mw e r el i s t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n w e b r o u g h tf o r w a r ds o m em e a s u r e sw h i c hw i l lb e 垤r yu s e f u lt oc o n t r o lt h ev o d e x v i b r a t i o na n dh a dd o n eal o to fe x p e r i m e n t s a tl a s t ，s o m es u g g e s t i o n sf o r a p p l i c a t i o na r eb r o u g h tf o r w a r da c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h em a i nf o n no ft h er o dw i n dv i b r a t i o ni n q u a y s i d ec o n t a i n e r i s t r a n s v e r s ew i n dd i r e c t j o nv i b r a t i o n ，e s p e c i a i i yt h ev o r t e x - i n d u c e dv i b r a t i o n t n b k i n do fv i b r a t i o ni sc a u s e db yt h ea l t e m a t es h e d d i n gv o r i e xb e h i n db o t hs i d e so f t h er o dw h e nw i n db l o w b e s i d e s 。i nc a s et h ev o r t e xs h e d d i n gf r e q u e n c yi se q u a i t oai n h e r ef r e q u e n c yo fr o d ，t h er o dw i l la d s e st h ev o d e xs h e d d i n gr e s o n a n c eo r c a l l e dv o r t e xr e s o n a n c e 。 t h er e s o n a n tv e l o c i t yo fw i n dh a sd i r e c t l yr e l a t i o nt ot h ei n h e r ef r e q u e n c yo f s t r u c t u r e 。a n dt h ei n h e r ef r e q u e n c yo ft h er o u n dc 4 o s ss e c t i o nr o di sa f f e c t e db y m a n yf a c t o r s o n eo ft h em a i nf a c t o r si st h er e s t r i c t i o ns t a t u sj nt w oe n d so ft h e r o d i nt h i sp a p e r 。t h ev i b r a t i o nb e q u e n c yo fr o u n dc r o s ss e c t i o nr o di nq u a y s i d e c r a n ea n dt h er e s o n a n c ew i n ds p e e di nd i f f e r e n ts t a t u sw e r ec a l c u l a t e d i n c l u d i n g t h et h e o r ys t a t e s 。t h ea c t u a ls t a t e sa n dt h es t a t e sa f t e ri m p r o v e m e n t s o m e c o n c l u s i o n sw e r es u m m a r i z e da c c o r d i n gt ot h ec o n t r a s to ft h ev i b r a t i o nf r e q u e n c y a n dt h er e s o n a n c ew i n ds p e e di nd i f f e r e n ts t a t e s t h e s ec o n c l u s i o n sc a nb e r e f e r r e di nt h ed e s i g np r o c e s so fq u a y s i d ec r a n e i no r d e rt oc o n t r o lt h ew i n d - i n d u c e dv i b r a t i o no ft h er o u n dc r o s s - s e 甜o nr o di n q u a y s i d ec r a n e e s p e c i a i i yt h et r a n s v e r s e i n dd i r e c t i o nr e s o n a n tv i b r a t i o n 。t h e r e a r em a n ym e a s u r e st or e s t r a i nt h ev i b r a t i o n 。t h ee a s yw a yi st oa s s e m b l es o m e i n t e r f e r e n c ef i x t u r e sw h i c hc a nb r e a kt h er u l eo fa l t e m a t es h e d d i n gv o d e ) ( t h e n t h et r a r l s v e r e ew i n dd i r e c t i o nv i b r a t i o nf o r c ei sr e d u c e d b yn o w 。t h e r ei s n tv e r y e f f e c t i v em e a s u r e sw e r eu s e di nt h es t r u c t u r ed e s i g no fq u a y s i d ec o n t a i n e rc r a n e a g a i n s tt h i ss i t u 酬o n 。t h er e a s o nw h i c hc a u s e dt h ew i n dv i b r a t i o nj nt h er o da n d t h em a i nf a c t o r sw e r ea n a l y z e da n dr e s e a r c h e df i r s t l y ，a n dt h e nt h ew i n dv i b r a t i o n i nt h er o dw a ss i m u l a t e db ye x p e d m e n t so fd i f f e r e n ts t e e lt u b e i nt h ee n d 。s t r a i g h t i n t e r f e r e n c er i b sw e r es e l e c t e dt od os o m ee x p e r i m e n t s t h e s e s t r a i g h t i n t e r f e r e n c ed b sw e r ed r i l l e ds o m eh o l e sa n dt h ed i s t a n c eb e t w e e no ne v e r y i n t e r f e r e n c er i b si sd i f f e r e n t t h e s ed i s t u r b a n c ef i x t u r e sa r ee a s yt om a k e 1 1 1 e e x p e r i m e n t sr e s u ro fd i f f e r e n ts t r a i g h ti n t e r f e r e n c ed b sw e r ec o n t r a s t e d ，a n dt h e c o n t r a s tg r a p h so fd i f f e r e n ts r u a t i o n sa r ep r o v i d e di nt h i sd i s s e r t a 蚰o n a tl a s t , s o m es u g g e s t i o n sf o ra p p l i c a t i o na r ef o r w a r d e da c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a l r e s u i t s k e y w o r d s ：q u a y s ec o n t a i n e rc r a n e ，v o r t e xv i b r a t i o n 。w i n d r e s o n a n c e s p e e d 。v i b r a t i o nc o n t r o l ，r o u n dc r o s s - s e c t i o nr o d 埘 m sg a o f e n g ( m e c h a n i c a ld e s i g n ) d i r e c t e db y ：p r o f z h e n gs u 论文独创性说明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做 的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：冱峰日期：之牡 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅，学校可 以上网公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其 他复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名： 隰呼，陡 盈 一碜 上海海摹大学磺士掌位论文鼍播皿鼍面抒件演鼙曩动的直条叻挪舅横报赛t 绪论 1 风对结构物的危害“。1 地球大气层内空气的流动产生了风，大气层内空气的流动是由于各地的气压不 同而产生的，在大气层中气压是由空气的重量引起的，单位体积内的空气的重量随着 空气的气温变化而变化当一个地方上面的气温高。空气暖，空气的密度就小，气压 也就小，空气就从相对气温低、空气冷、空气密度大、气压大的地方流动过来，从而 形成了风。风作为一种自然现象是不可避免的，同时由于风所带来的自然灾害也时有 发生。国内外统计资料表明，在所有自然灾害中，风灾造成的损失为各种灾害之首 风对结构物的破坏屡见不鲜，特别是对高层建筑、高耸结构和大跨度结构的损坏。 风力作用的频繁，也会使结构物的一些构件产生疲劳破坏，导致结构的破坏。1 9 0 4 年美国华盛顿主跨8 5 3 米的踏科马悬索桥在风速1 9 m s 时发生颤振而倒塌；1 9 6 5 年 1 1 月，英国的一座电站的三座高为1 1 3 m 的冷却塔在阵风中倒塌，实践证明，塔群所 受风效应要比孤立单个塔严重得多 结构物中的桅杆结构具有经济实用和美观的特点，但它的刚度小，在风载下便会 产生了较大幅度的振动，从而容易导致桅杆的疲劳或破坏。近年来，世界范围内发生 了数十起桅杆倒塌事故，例如，1 9 5 5 年1 1 月，捷克一桅杆在风速达3 0 m s 时因失稳 而破坏；1 9 6 9 年3 月，英国约克郡e m l o ym o r t 高3 8 6 m 的钢管电视桅杆被风吹倒； 1 9 8 5 年，前联邦德国b i e l s t c i n 一座高2 9 8 m 的无线电视桅杆受风倒塌；1 9 8 8 年，美 国m i s s o u r i 一座高6 1 0 m 的电视桅杆受阵风倒塌，造成3 人死亡 引起注意的是，1 9 4 0 年秋，美国华盛顿州建成才4 个月的塔科马悬索桥，主跨 8 5 3 m ，就在不到2 0 m s 的八级大风作用下上下和来回扭曲振动而倒塌了这一严重 风毁事故震惊了桥梁工程界，引起了人们足够的重视。在为调查这一事故而收集桥梁 风毁的历史材料中，人们发现，自1 8 1 8 年起，至少已有1 1 座悬索桥毁于暴风，面且 从目击者的记载中可以明显地看到关于振动的描述。塔科马桥的风毁开始了土木工程 界考虑桥梁风致振动的新时期，并以此为起点，经过近半个世纪的发展，形成了一门 上海海大孛壤士掌位论文 撬暇曩面抒棒涡蠢振动的直条曲抑爿横报实t 新的边缘学科一风工程学。 2 风对结构物的作用“町 自然界的风可分为异常风和良态风。对很少出现的风，例如龙卷风，成为异常风， 不属于异常风的则称为良态风。一般的良态风对结构物作用，使结构物产生振动，其 原因主要有以下几个方面“1 ： ( 1 ) 由与风向一致的风力作用，它包括平均风和脉动风，其中脉动风要引起结 构物的顺风向振动，这种形式的振动在一般工程结构中都要考虑； ( 2 ) 结构物背后的漩涡引起结构物的横风向( 与风向垂直) 的振动。对烟囱、 高层建筑物等一些自立式细长柱体结构物，特别是圆形截面结构物，都不可忽视这种 形式的振动； ( 3 ) 由别的建筑物尾流中的气流引起的振动； ( 4 ) 由空气负阻尼引起的横向失稳振动。 由于风对结构物的作用，因此会产生以下结果t ( 1 ) 在飓风及一些暴风的作用下，结构物发生整个结构的变形，甚至坍塌 ( 2 ) 使结构物或构件受到过大的风力或不稳定： ( 3 ) 使结构物或结构构件产生过大的扰度或变形，形成不安全隐患； c 4 ) 由反复的风振动作用，引起结构物或构件的疲劳损坏； ( 5 ) 气动弹性的不稳定，致使结构物在风中产生加剧的气动力； ( 6 ) 由于过大的动态运动，使结构物上的人员产生不舒适感。 由此可见，针对风对结构物的危害，对结构物进行抗风设计是工程中不可缺少的 3 岸边起重祝抗风研究现状 随着国际贸易的发展，世界物流的加速大大推进了集装箱货运的发展，上海港口 已经成为世界集装箱吞吐置最大的港口之一作为港口集装箱主要的搬运工具港 口岸边集装箱桥式起重机( 简称岸桥) 也正飞速发展为降低船运成本。再加上各国 港口的发展，许多船型已经大大超出巴拿马型( 即船的纵深要比巴拿马运河宽) ，这 样使得原来老式岸桥的外仲距( 指海侧有效工作范围) 不能适应，所以不断有大型的 岸桥被设计制造出来 由于岸桥尺寸变的越来越大，风对其造成的影响也越来越明显，又由于岸桥处于 2 上海海大学磺士掌位论立 桥皿鼍面杆件酒蠢撮动的直囊肋抑翻模拟实警 码头前沿工作，其迎风面积大，风力作用中心高，重心高，极易引起风振，造成事故 所以对岸桥的设计计算一定要考虑风的影响。尽管如此事故也经常发生，宁波港镇海 作业区两台1 0 t 门座起重机，分别于1 9 7 9 年和1 9 8 0 年在非工作状态时，因风振引起 箱形矩形截面拉杆断裂；1 9 9 6 年湛江港一台5 0 0 吨重的集装箱桥吊和6 台龙门吊被 台风吹进海中；上海港、天津港也都出现过由风振引起的起重机拉杆断裂事故。类似 的灾难几乎每年都会发生，严重影响了港口的正常工作，造成极大的经济损失 那么风对岸桥的危害主要表现在； ( 1 ) 岸桥承受不住过大的海风而损坏或倒塌； ( 2 ) 阵阵的海风使岸桥产生晃动，使上面的工作人员产生不舒适感，影响作业； ( 3 ) 由风的作用引起部分构件的振动，从而造成岸桥构件的疲劳破坏。 以上三种危害，不仅能造成一定的经济损失，甚至还有可能造成人员伤亡对 于第一种危害，在岸桥设计中，有严格的设计计算标准以及相关规定，用来减少和防 止这种灾害的发生。而对于第二种危害，有的学者提出用结构的被动控制手段譬如 t m d 手段进行控制，不过这还只是在研究阶段。针对第三种危害，虽然厂家做了一 些预防措施，但是效果不是很明显，这种疲劳破坏还是时有发生因此有必要对其风 振现象进行研究起重机风荷载分工作状态与非工作状态两类。非工作状态下所承受的 风荷载比工作状态下的风荷载大得多，更容易造成风致破坏，因此研究非工作状态下 起重机的风致振动具有直接的现实意义 为了满足起重机设备的安全性、工作性能、及操作者的舒适性要求，必须对起重 机的风振问题有深入的研究，指导起重机的结构设计等工程实践活动对起重机进行 风振研究不但具有重大的理论价值而且能推动起重机械的技术进步，具有很大的经济 效益和社会效益 由于圆形截面的杆件制作方便，价格低廉，因此被广泛用于岸边集装箱起重机上， 比如：门框间斜撑、门框间水平撑杆、后拉杆、梯形架、梯形架后撑杆等然而在实 践中发现圆形截面杆件很容易发生风致振动，强烈的风振很快就能引起杆件两端节点 板应力集中部位的疲劳开裂，因此对岸边集装箱起重机上圆形截面的杆件的风致振动 控制研究交得尤为重要。 上奢海事大学磺士学位论文 岸桥嘲截面杆件涡激攮动的直蕞肋抑翻梗撤实验 4 本论文研究的任务 本论文主要介绍了风致振动结构控制的概述和发展现状、分析了引起岸边起重机 圆截面杆件风致涡激振动的主要机理，计算了岸边起重机常用圆截面杆的理论涡激共 振风速，分析讨论前人的对抑制岸边起重机圆截面杆件涡激振动形式试验的优缺点， 并在此基础上着重对直条肋的抑振效果进行试验，试验采用现象比较明显的圆截面杆 件作为对象，并用打孔的且孔数不同的不锈钢直条肋作为不问断抗扰条肋，试验各种 不问断抗扰条肋对横风向振动的抑制效果，并对不同肋数的不间断抗扰条肋的抑振效 果进行对比，从而提出抑制风致涡激振动效果最佳方法，并提出进一步改进和抑制涡 激振动的办法 上海海事大学覃士学位论文 岸播田截面杆件镉童曩动的宣蠡肋抑期檀挂实簟 第1 章结构物上圆截面杆件风致振动控制技术 1 1 风对结构物作用的计算“2 棚 风是结构物的侧向载荷之一。它与地震载荷一样，是结构物经常遇到的侧向载荷 对于较高、较长的建筑物，如电视塔、烟囱、高层房屋、桥梁等，侧向载荷引起的响 应在总载荷中占有相当大的比重，甚至起着决定性的作用，因而风力特别是风振的研 究对于高耸结构( 如起重机) ，高层建筑、大型桥梁的设计密切相关 在工程实际应用中，通常将风载荷作为静力风( 或称为平均风) 与动力风( 脉 动风) 的共同作用平均风是在给定的时间间隔内，把风对结构物的作用力的速度、 方向以及其他物理量都看成不随实际而改变的量。考虑到风的长周期大大地超过一般 结构的自振周期，因而其作用性质相当于经历。脉动风是由于风的不规贝i j 弓l 起的，它 的强度是随时间随机变化的。由于其周期较短，因而其作用性质是动力的，会引起结 构的振动 除顺风向振动以外，由于升力的作用，也会引起横风向振动，同时外扭矩还会引 起扭转振动。所以说风对结构物的作用，在受力方向、作用性质上都是多方面的，也 是十分复杂的 1 1 t 风速与风压的关系 通常实测得到的风数据为风速，风压是在最大风速时垂直于风向的平面上所受 到的压力，单位是k n m 2 ，要获得风对结构物产生的压力，首先要求得风速与风压之 间的关系。 w 一一- 主2 - 净2 “- ， 上式即为普遍运用的风速风压关系公式，风压为1 ，气流原来的强度为，产生的 最大压力为嵋， ，为气流速度，p 为空气的密度，p 5 考 s 上海骞搴大拳硕士学位论文摩耩皿蠢面抒件潺鼍曩动的直豢曲抑鬟援报实警 1 1 2 结构上的平均风载荷 由于结构物体型、风荷载作用点位置等的不同，作用在结构上任一处的平均 风压或风荷载h ，( z ) 应与体型系数、风压高度变化系数等有关，因此作用于结构物表 面任一高度z 处的风压w ( z 可写成： 啡) - 以0 ) 以( z ) w o ( 1 2 ) 上式即为载荷规范中未考虑脉动风压引起的风振影响的平均风压计算公式，式 中：为基本风压，单位k n m 2 ，因地而异；以为风载体型系数，与结构物体型有关； ：为风压高度变化系数。 1 1 3 结构的脉动风载荷 实际的脉动风是三维的风湍流，一般包括顺风向、横风向及垂直向的湍流试验 研究表明，横风向及垂直向的湍流较小，顺风向湍流起主要作用。下面讨论湍流引起 的顺风向脉动对结构的作用 作用于与来流方向垂直的面积彳上的风力一般可表示为； f ( o - 三鹏咋_ + 以百d r , ( 1 3 ) 式中，c o 为阻力系数；c 0 为被加速的空气团的系数；p 为空气的密度；p 0 为空气 团的体积；v ，为相对速度。 1 1 4 结构上漩涡脱落干扰力 结构的风振除了由湍流脉动引起之外，还有一种是结构物绕流中旋涡脱落作用的 结果。 一般结构物多为钝体，当气流绕过结构物在其后面重新汇合之时会脱落出旋转方 向相反得两列旋涡。开始时，这两列旋涡分别保持自身的运动前进，接着它们相互干 扰，相互吸引，而且干扰越来越大，形成了所谓得涡流。如果旋涡的脱落呈对称稳定 状态，就不会产生横向力；如果旋涡的脱落呈无规则状态，或周期的不对称脱落就会 在横向上对结构物产生干扰力。 6 上蠢海事大学焉士掌位论丈岸播衄截面枰件涡激曩动的直象肋抑舅模拟实t 1 2 结构振动控制技术的发展现状 高耸、高层结构在使用中要求承受各种动态载荷，例如地震，大风等这些外部 扰动都会给结构带来极大的影响。为了保证结构的安全性、舒适性、经济性，采取有 效的振动控制策略就能减小或消除这些因素造成的影响。在近二，三十年中，结构的 振动控制方面的研究取得了长足的发展。从理论到试验乃至于实际结构控制中，使得 振动控制由传统的被动控制发展到主动控制，进一步到主动、被动控制相结合的混合 控制方法，直至神经网络控制系统的引入为减振提供了更新、更有效的概念和方法。 1 2 。1 结构振动控制的发展史叫 振动控制最早应用于机械行业，后来发展到各行各业中，其应用也越来越广泛， 特别是在航空航天领域和交通运输领域。在土木工程中的应用起步较晚，这主要是因 为结构本身的自重太大，动力干扰能量大( 风载荷、地震载荷) ，要达到控制目的所 需的控制力很大，不容易实现。振动控制在大型结构中的应用就是我们通常讲的结构 振动控制。 结构振动控制开始实现于2 0 世纪5 0 年代，前苏联在一个1 0 0 m 高的钢电视塔上 安装了4 个摆式减震器，在一个8 0 m 高的钢烟囱上安装了8 个摆锤，结果使结构的 对数衰减率分别由0 1 2 增加到0 5 6 和由0 1 3 增加到0 4 。尽管当时没有提出结构控 制的概念，但已经用了控制机构对结构的风致振动进行了被动控制。到了6 0 年代， 预应力的先驱e u g e n e f r e y s s i n e t 使用预应力拉索作为控制装置产生控制力。用来增 加结构的稳定。而l e v 7 _ e t l i n 最早提出了结构主动控制的思想，他提出将拉索固定 在结构的框架上，在底部连接到液压马达上，当安装在结构顶部的传感器实测到结构 的运动时，将信号传送到控制装置，由控制装置驱动液压马达来调节拉索中的作用力， 以达到振动控制的目的，这一思想最后没有在结构中具体实现。后来，又有专家提出 了动态结构的思想，也就是为了适应变化的外力，结构的形状及外形也不断随响应变 化，以达到振动控制的目的，当然这种变结构系统实现起来很困难 1 9 7 2 年，t p y a o 基于古典控制理论及现代控制理论首次提出了结构控制的 概念，他提出应用结构控制系统是解决结构工程安全问题的一个可替代方案。在这之 后，许多学者在结构控制的方式及结构控制的计算方面做了大量的研究工作r o o r d a 、 7 上膏海事大拳磺士掌位论文 岸桥圆截面扦件镉激曩动的直鲁肋抑翻横报实验 l e i p h o l z 等研究了各种类型的拉索控制，并提供了这些拉索控制的设计计算方法 m a r t i n 、o r e n v f l n a y 等人研究了模态控制的方法，用模态控制直接改变特殊振型和 系统刚度l e i p h o l z 等人研究了极点配置法在结构控制中的应用。这些研究都是以研 究主动控制为目标，主要是在理论和方法上进行探讨对于具体应用的研究还是集中 在被动和半主动控制方面。d a v o r i n 、h r o r a t 等人研究了调频质量阻尼器对结构的控 制，这种控制系统在很多高层建筑和高耸结构上都用来进行风振控制如美国的波士 顿的6 0 层j o n e4 l a n c 瑚k 大楼用二个3 0 0 吨的质量块做成的t m d 来减缓大楼的风振 摆动，防止玻璃幕墙的脱落；美国的c i t i c o r p 大楼的顶部安装了重4 0 0 吨的t m d 系 统来减少风振反应。同时以j m k e l l y 等一批学者对以夹层橡胶垫块加滞后钢耗能 器组成的建筑结构隔振控制机构进行研究，并将它应用到了具体的工程抗震中 2 0 世纪年代结构控制理论发展非常迅速，特别是对结构主动控制设计方法进 行了大量的研究。y a n g 、a b d e lr o h m a n 等对高层建筑在随机风荷载和地震荷载的作 用下主动t m d 进行了研究；y a n g 、l i n 对结构的关键振型的优化控制进行了研究， 对非线性振型的控制的影响进行了探讨，对结构的优化开环控制也作了尝试； b a s h a s k h a h 等研究了高层建筑及柔性结构的控制系统的增益和迟时的影响；y a o 等人 还对主动控制的可靠性进行了研究；w a n g 和y a o 应用模型跟踪作为超前过滤器并当 作是控制系统一部分产生窄带随机过程，对结构的疲劳问题进行监测和控制；a b d e l r o l l m a n 还研究了具有分布参数的系统优化控制问题。对于非线性结构体系的控制问 题的研究还进行得不理想，主要是线性结构体系是非线性的时变体系，要找它的最优 控制解很困难对非线性时变体系，m a s r i 等提出了脉冲控制方法，r e i n h o m 等提出 了界限脉冲控制方法，j n y a n g 等提出了瞬时控制方法其中界限脉冲控制方法 的原理是根据结构在时刻t 的反应水平，利用纽马克数值积分法预测结构在下一个时 刻t + 出的反应，如果反应超出了临界界限，则由计算机在线计算出所需的脉冲控制 力进行控制，使结构的反应控制在界限内它和脉冲控制法都不是最优的，不易实现。 瞬时控制法尽管对每一个瞬时都是最优控制，但由于非线性结构是一个随时问变化的 体系，控制系统需不断在线计算最优控制力，在线计算工作量巨大，不易实现。这些 都对结构主动控制进行的研究，大都只是在理论上进行了探讨 与此同时对于结构被动控制也进行了大量的研究工作在设计方法上，下乡太 8 上海海事大拳焉士学位论文 岸桥皿鼍面枰件稿漱攮动的直鲁助抑爿横拟实t 郎( 日) 对基于最优控制理论的三种控制机构参数准最优化计算方法进行了研究，即 最小误差激励法( 姗阻m ) 、最小范数法( h 椰d 和等效最优控制特性法( e 四m ) ， 为最优控制理论在结构被动控制设计中的应用奠定了理论基础。在结构控制方式上也 提出了许多可实现的控制系统的具体型式。如质量泵免振装置、粘弹性阻尼器、调频 液体阻尼器等，并具体应用到了实际工程中，取得了非常理想的振动控制效果。 到今天，结构振动控制仍在继续研究并用于实际应用中，如即将建成的中国第一 高楼一上海环球金融中心就采用结构振动控制防振。上海环球金融中心在3 9 5 米的第 9 0 层安装了两台风阻尼器，以大幅度降低超高层建筑物由于强风引起的摇晃。而环 球金融中心也将成为中国大陆地区首个使用此类装置的超高层建筑。安装在层的 风阻尼器是两个重达1 5 0 吨、长宽各有9 米，外部是3 层蓝色的钢质框架，中间桔红 色的是用钢索悬吊的重1 0 0 多吨的配重物。配重物是与环球金融中心本身自振频率相 一致的振动体，而在配重物的下面安装了驱动装置通电后，一旦建筑物因强风产生 的摇晃可以通过传感器传至风阻尼器，此时风阻尼器的驱动装置会控制配重物的动作 进而降低建筑物的摇晃程度每幢建筑物都有一个固定的自振频率，风阻尼器通过缓 解振动，可防止建筑物出现共振现象。通过引入风阻尼器，将能使强风时加在建筑物 上的加速度( 重力) 降低4 0 左右。另外，风阻尼器也可以降低强震对建筑物，尤其 是建筑物顶部的冲击。环球金融中心安装的风阻尼器的减振性能达到了日本建筑学会 关于建筑物振动的舒适性性能指标，这也是此类规模超高层建筑的最高标准。 1 2 2 结构振动控制的分类“帕 我们所讨论的振动控制是指，对系统的动态响应和动不稳定性加以控制，使系统 的振动水平处在可以接受的水平，并保证在使用中( 工作条件限定) 不出现自激振动 结构振动控制就是在结构上设置控制装置，当结构在风载荷等外界激励作用下发生动 力响应时。控制装置主动或被动地实施一组控制力，以减小或抑制结构动力响应。 结构振动控制主要包括被动控制、主动控制和半主动控制三种 ( 1 ) 被动控制。被动控制可以从能量观点加以阐述，它不需要从外部输入能量， 而是通过控制装置来改变结构阻尼、刚度和质量当结构振动时，控制装置对结构施 加控制力以减小结构动力响应被动控制中，控制装置随结构一起振动时，因本身的 运动而产生了对受控结构的作用力，这组被动产生的控制力应是控制本身参数及结构 9 上海海事大学礤士学位论文岸桥明鼍面扦件溺激舞动的直囊肋抑斜蕊报实 层位移和速度响应的函数。因此，被动控制设计的目的是如何合理选择控制装置的参 数，使其被动产生的控制力为最优 ( 2 ) 主动控制。主动控制装置通常有传感器、计算机、驱动设备三个部分构成， 传感器用来检测外部激励或结构响应，计算机根据选择的控翩算法处理检测的信息及 计算所需的控制力，驱动设备根据计算机的指令产生所需的控制力近年来提出了半 主动控制，这种系统以被动控制为主，只是应用少量能量对被动控制系统的工作状态 进行切换，以适应系统对最优状态的跟踪。主动控制的控制力由外加能源主动施加， 振动控制设计的目的是如合理选择控制力的旌加规律，以使产生的控制力对结构的控 制效果最好。 结构振动控制的核心装备是振动控制装置。随所选用的振动控制装置不同，其控 制效果及设计分析方法也不同。国内外专家已进行了多年的理论和试验研究，提出不 少很好的方法和措旌。主动控制的装置具有代表性的有主动调谐质量阻尼器( a m d ) 、 主动拉索、主动档风板等；被动控制中典型的装置有耗能器、被动拉索、被动调谐阻 尼器( 简称p t m d 或t m d ) 、调谐弹簧阻尼器( t s d ) 、调谐液体阻尼器( t l d ) 等 ( 3 ) 半主动控制控制。此种控制方法一般有少量的外加能源，其控制力尽管也 有控制装置本身的运动而被动产生，但控制过程中控制机构的参数由外加能源来进行 调整，从而达到控制的目的。 三种控制方法中主动控制效果较好，但需要从外部输入能量，加上主动控制装置 十分复杂，需要经常维护另一方面，设计方法和控制机构的灵敏度所带来的“时滞” 效应，目前还难以较好的解决另外，控制机构的可靠性还存在一些问题，往往使控 制效果打了折扣。因此，目前在大型结构中采用较多的振动控制方式还是被动控制和 半主动控制。 1 3 结构风致振动研究棚 对于结构风振研究比较多的多是结构横风向风振，它的机理比较复杂，影响的因 素很多主要包括涡激振动( v o r t e x - n d u c e dv b r a t i o n ) ，驰振( g a u o p t n g ) ，颤振( f l u t t e r ) 及抖振( b u f f e t i n g ) 等 对于具有棱边方角的钝体结构物，不像飞机、轮船那样具有流线型，当风作用 到这种物体上时，在其周围，气流通常呈分离塑，而且伴有随时间变化的尾流结构 上海海大学硕士学位论文 摩桥皿鼍面扦件渴激搬动的直蠡肋抑翻横报实验 物一般是弹性体，故在某一特定范围内常发生驰振、颤振的空气动力学上的失稳性振 动。在通常情况下，横风向完全单自由度振动称为驰振，而扭转单自由度振动称为颤 振，弯曲和扭转的两自由度耦合振动成为弯曲颤振。驰振和颤振因结构断面形状的不 同而有差异，多发生于具有箱形截面和h 形截面的结构物。驰振和颧振一旦发生， 便产生剧烈的振动，这种失稳性的振动具有自激振动的因素，也就是在振动的过程中， 由结构物本身的运动不断给激振力提供能量，促使助长了运动的发生驰振和颤振现 象，可以认为是由于在结构物受风的上侧断面边缘产生的，伴随该物体振动而放出的 所谓前缘分离涡流所引起的振动，这种振动的发生与结构物背后形成的卡门涡流发生 的激振无关，与涡流振动有本质的区别。 1 9 4 0 年发生的塔科马悬索桥的风毁事故后，不少研究人员想到了利用机翼颤振 理论来解释桥梁的发散振动，同时仿照机翼的节段试验进行了桥梁的节段试验。随后， r h s c a n l a n 提出了在节段模试验中识别气动导数的方法。年代起，随着紊流可能 降低颤振稳定性的论点的提出，他通过试验，发现紊流可以看作是提高稳定性的有利 因素。9 0 年代初，a l a r s e n 用计算流体力学手段解出了流线型桥梁截面的气动导数， 从而得到了颤振i 晦界风速，并且和风洞试验的结果基本符合。 当结构物上有风振动时，就会在该结构物两侧背后产生交替的漩涡，且将由一 侧然后向另一侧交替脱落，形成所谓的k a r m a n 涡街。k a r m a n 涡街的发生会使物体 表面的压力呈周期性变化，其结果是使结构物上作用有周期性交化的力，作用方向与 风向垂直。这种由交替涡流引起且与风向垂直的振动，按发生原因称为涡激振动涡 激振动基本上是伴随漩涡的出现而产生的强迫振动，但是一旦振动增强，又会有由振 动控制的涡流发生，表现出自激振动的特性 当一结构物处于另一结构的的k a n n a n 涡街之中时，可发生抖振它是结构物在 素流风场中的振动响应。例如，两靠近的细长结构物，背风向的一个结构物就有可能 发生抖振，若这时背后一个结构的频率与顺风频率接近的话，就有可能发生抖振也 可以认为抖振是一种顺风向共振 1 1 上海海事大学焉士掌位论文 岸桥皿截面杆件渴麓摄动的直蠡助抑翻模报实验 1 4 圆截面杆件风致振动控制“。帕 1 4 1 常用振动控制方法介绍 风振响应在很大程度取决于风对结构的相互作用，而且这种作用与结构的外形密 切相关。当风振响应超过可接受的程度时，采用气动措施改变结构的外形( 如切角、 开透风槽、加风嘴等) 或增设一些导流措施( 如倒流板、抑流板、稳定扳等) 以改变 结构周围的流态。这些方法往往是最积极主动两且又经济合理的途径，应该优先加以 考虑。迄今为止，已经通过风洞试验验证了许多气动措施的有效性。然而，它的减振 机理，在空气动力学上难以解释，有待进一步研究解决。 在工程应用中，各种被动的、主动的和半主动的机械措施对抑制风振是比较有效 的风振控制方法一般有以下几种形式；拉索 e n d o n ) 控制方式、摆式减振器控制方 式、碰撞阻尼器控制方式、空气动力减振器方式、调频质量阻尼器) 控制方式、 档风板( a p p e n d - - - a g e ) 控制方式、调频液体阻尼器( t i d 、1 1c d ) 控制方式、耗能构件 控制方式等，随着智能材料的出现和发展，薪的控制方式也不断出现，如电流变、电 磁变、记忆合金、压电材料等智能材料与结构控制结合带来了许多新的控制方式这 些控制方式各有各的特点，一般它们适用于控制某种结构或结构的某类风振响应，因 此具体应用时要根据具体情况针对性确定 1 4 2 圆截面杆件的风振控制 基于横风向涡激振动对结构物产生的危害，很有必要采取适当的措施来控制结构 物的涡激振动，文献【1 】提出了不少关于桅杆结构的控振方法对于岸边集装箱起 重机上杆件有很大的借鉴意义。 控制横风共振通常采用的振动控制方法如下：1 增加杆件刚度，改变其临界风 速；2 安装扰流器，饲如螺旋箍条、开孔套简等，能有效地减少脱落旋涡的相干性。 它的缺点是增大了阻力系数，使结构所受静载明显增加，而且在裹冰时有可能丧失其 控制效果；3 采用调频质量阻尼器t m d ( t u n e dm a s sd a m p e n 0 。 为了避免圆截面杆身由于漩涡脱落干扰力产生的横风向共振，减少横风激振力， 可主要采用的方法是在圆柱体表面安装一些气动干扰器，以打乱涡流脱落的规律性， 采用的简单有效形式有螺旋剐性肋、抗扰条肋、引导板，还有其它一些干扰器，比如， 上海海事大学磺士学位论立岸桥田截面杆件涡激擐动的直象肋抑爿横搬实 开口套管、条形金属片、引导扳等目前的采用的几种有效形式如图1 1 1 渗劳口謇t 阳 t 耵麓髓t “ 麓柚 t 掌- i 生_ 麓拣一“ 辫