《风致振动简述》课件

风致振动简述风致振动是一种由风引起的结构动力学响应,是工程中需要重点关注的问题。本节将简要介绍风致振动的基本特点、评估方法以及设计应对措施。课程大纲11.什么是风致振动介绍风致振动的基本概念和原理,包括主要成因和发生机理。22.风致振动的特点分析风致振动的动态特性,如非线性、随机性、多模态耦合等。33.风致振动的危害阐述风致振动给结构物带来的危害,包括振动破坏和疲劳失效等。44.风致振动的预防措施介绍结构抗风设计、动力学分析和振动控制等预防风致振动的措施。什么是风致振动定义风致振动是指在外界风载作用下,结构产生的自振运动。它是一种动力学现象,在建筑、桥梁、机械等工程领域广泛存在。发生机理风致振动的发生是由于风力与结构的相互作用引起的,当风力超过结构的阻尼力时会产生持续振动。特点风致振动呈周期性和不规则性,会给结构带来巨大的动力效应,严重影响工程结构的安全性和使用寿命。风致振动的产生原因风力作用建筑物表面的风力压力和负压激发结构的振动反应。地震作用地震动作用于建筑物基础，引发结构的共振振动。机械振动工厂设备、电梯、扶梯等机械运动导致结构振动。交通运输车辆、火车和飞机产生的振动传递至建筑结构。风致振动的特征特征1：具有周期性风致振动是一种具有周期性的动力学响应,具有可预测的运动模式和规律。特征2：频率敏感风致振动的频率通常与结构或部件的固有频率相近,容易产生共振放大效应。特征3：多模态耦合不同振型之间存在耦合作用,容易激发复杂的多自由度振动响应。经典风致振动案例风致振动的经典案例包括建筑物、桥梁和塔架结构受风影响而产生的振动。如悉尼歌剧院和世博会中国馆因风致振动而引发重大安全事故。这些案例揭示了风致振动给工程结构带来的严重威胁。了解经典案例有助于认识风致振动的危害性,并采取有效的预防和控制措施,确保工程结构的安全性和耐久性。风致振动的危害结构损坏风致振动会对建筑物、桥梁等结构造成严重的疲劳损伤,甚至导致结构崩塌。人体不适长期暴露在风致振动环境中会给人体健康带来不适,如头晕、恶心等。设备故障敏感的电子设备在风致振动作用下容易出现故障,影响正常运行。心理压力剧烈的风致振动会给人带来严重的心理压力和恐慌感。风致振动的预防措施结构优化设计通过优化结构布局、材料选择、连接方式等,提高结构抗风能力。动态阻尼装置在关键位置安装阻尼器,吸收和消散振动能量,减小振幅。主动控制技术利用传感器、控制器等实时监测并控制结构运动,抑制振动。风洞试验验证进行模型试验,分析结构风致振动特性,为设计提供参考依据。动荷载分类自然动荷载包括风荷载、地震荷载、雪荷载等,这些力作用于建筑物并引起结构的振动。人为动荷载包括人群活动、机械运转、爆炸冲击等,这些力作用于建筑物并产生不同程度的振动。其他动荷载还有一些特殊情况下的动荷载,如海浪荷载、火灾荷载等,也会引起结构的振动反应。风荷载作用原理1风力形成由大气压差引起的气流运动2风力作用风流经结构物时产生的阻力和升力3风载荷计算根据结构物形状、尺寸和风速确定风荷载是由于大气压差引起的气流运动所产生的外部荷载。当风流经结构物时,会在结构表面产生压力差,从而产生阻力和升力。通过结构物的形状、尺寸和风速等因素的计算,可以确定风荷载作用下的载荷情况。风荷载建模方法1基于试验测量通过风洞试验等手段对风荷载进行直接测量和分析,建立相应的数学模型。这种方法可以更加准确地描述风荷载的特征。2基于数值模拟运用计算流体力学(CFD)等数值模拟手段,模拟复杂的风环境条件,并计算结构上的风荷载。可深入分析风荷载的分布规律。3基于经验公式利用已有的经验公式和风荷载系数,快速估算结构受到的风荷载。这种方法简单易行,但精度相对较低。风荷载的测量与监测10测点数量合理布设足够的测点以全面反映风荷载特征50Hz采样频率采用高频采样以捕获风振动的动态特征1年监测周期长期监测可获得全面的风环境数据风荷载的测量与监测是评估和分析结构风振动的基础。通过布设高精度的测风仪、加速度计等传感器,以合理的布局和高频采样,长期监测结构所受风荷载的变化特征。这些数据对于后续的风振分析、抗风设计至关重要。受迫振动分析外部激励结构受到的外部力或者位移激励可以引起受迫振动。共振现象当外部激励频率接近结构的固有频率时会出现共振现象。阻尼效应结构的阻尼特性会影响受迫振动的幅值和响应。自由振动分析1初始条件确定初始位移和速度2基本原理利用微分方程描述振动特性3求解方法应用数学技巧求得振动模态4分析应用预测结构自由振动响应自由振动分析是基于力学守恒定律,建立振动微分方程,并根据初始条件求解振动模态和频率的过程。它为后续的受迫振动分析奠定了基础,可准确预测结构在外荷载作用下的动态响应。受迫振动分析外加载荷受迫振动是由于外加的周期性载荷作用在结构上而引起的振动。这种载荷可以是风荷载、地震荷载等。频率匹配问题当外加载荷频率与结构的固有频率接近时,会发生共振现象,导致振幅急剧增大,这是最危险的情况。动力响应计算需要通过数学建模和动力学分析,计算出结构在受迫振动下的位移、速度、加速度等动力响应指标。提高结构耐风性的措施风防护设备使用隔风板、遮阳板等外部防护设备可降低建筑物受到的风荷载。减震机制安装阻尼减震器可有效吸收风致振动产生的动力作用,提高结构抗风性。加强结构刚度通过设置加强筋、斜撑等措施,提高建筑物整体抗风刚度和稳定性。增加阻尼在关键部位设置粘滞阻尼装置,可有效吸收风致振动能量,降低振动响应。动风荷载疲劳分析由于长期受到风荷载的作用,结构可能会出现疲劳损坏。为了评估结构的风致振动疲劳寿命,需要进行动风荷载疲劳分析。此分析包括对结构动力响应的计算,以及根据疲劳理论对结构构件的疲劳寿命进行评估。通过这一分析,可以预测结构的疲劳失效风险,为合理的抗风设计提供依据。提高结构耐风性的措施1优化结构设计合理选用材料和结构形式,减小结构承受的风载荷。2增大结构刚度通过耳板、桁架等加强措施提高结构的振动稳定性。3安装减振装置采用阻尼器、隔震支座等主动/被动控制装置减小振动。4加强结构连接通过可靠的连接方式确保结构构件之间的整体稳定性。风致振动案例分析通过对经典风致振动案例的分析,可以更深入地了解风致振动的产生原因、特征及危害。这些案例涉及各种结构形式,如高层建筑、桥梁、电力线塔等,为预防和控制风致振动提供了宝贵经验。以1940年纳罕大桥垮塌事故为例,该桥出现严重的扭转振动,最终导致桥梁整体崩塌。事故原因分析表明,桥梁设计未充分考虑风荷载作用,从而引发了灾难性的风致振动。风致振动检测技术1传感器监测利用加速度计、位移传感器等实时监测结构的振动响应。2远程监控系统通过物联网技术建立远程监控系统，实时分析异常情况。3实测与分析采用试验与数值模拟相结合的方法,全面评估结构风致振动状态。4动风荷载测量利用风洞试验等手段精确测量和分析结构受到的动风荷载。结构风洞试验方法模型制作根据实际结构比例缩小制造风洞试验用模型,确保细节尽可能还原。空气流场模拟利用风洞模拟实际环境的气流流场,以获取更接近真实的试验数据。数据采集在模型表面和周围布置测点,通过先进仪器测量压力、力、位移等物理量。数据分析对采集的数据进行分析处理,为工程设计提供可靠的风荷载参数。结构主动控制技术智能控制系统利用嵌入式传感器和智能控制算法,实时监测结构的动态响应,并自动调整结构参数以抑制振动。主动式阻尼减振器利用电液伺服控制系统驱动特殊设计的阻尼器,调节阻尼力以抑制结构振动。主动质量阻尼系统利用电机驱动辅助质量块,通过相位和幅值的调整,实现对结构振动的有效抑制。被动控制设备原理质量阻尼器利用质量和阻尼的相互作用产生力,对结构振动进行抑制。安装在关键位置,有效减少结构响应。粘滞阻尼器利用粘性流体流动产生阻尼力,吸收振动能量,适用于大跨度结构。可有效控制风致振动。隔震支座采用橡胶或弹簧,在基础与上部结构之间隔离,有效隔绝地震和风致振动。广泛应用于高层建筑。调谐质量阻尼器利用附加质量与结构质量振动对抗,准确调谐到主频,抑制结构最大响应。适用于高层建筑抗风。风致振动实验验证实验室环境搭建在控制环境下建立模型试验台,精确模拟实际环境。高精度监测系统采用先进的传感器及数据采集设备,获取准确的振动响应。数据分析与对比将试验数据与理论预测结果进行对比分析,验证模型的准确性。风致振动实验验证是确保理论模型准确性的关键步骤。通过在控制环境下搭建实验平台,采用先进的监测系统记录振动响应,并将试验数据与理论计算结果进行对比分析,可以全面验证风致振动分析模型的适用性。风致振动数值模拟利用数值模拟方法可以有效预测结构的风致振动特性。通过建立准确的数值模型,结合合理的边界条件和参数设置,可以对复杂结构的动态响应进行分析和预测。数值模拟可以全面探索不同工况下结构的振动响应,为工程设计提供重要参考。对比实验测试数据,还可持续优化和校准数值模型,提高预测精度。优点成本低、能快速评估多种情况局限性需依赖准确的物理模型和参数输入风致振动实验验证1风洞试验通过风洞模型测试分析风荷载效应2振动台试验评估结构在不同振动条件下的动力响应3现场监测对实际工程结构进行长期动力监测风致振动实验验证是确保结构安全性的重要环节。通过在实验室和实际工程中开展全面的试验研究,可以充分验证理论分析的准确性,并进一步优化和完善结构抗风设计。这些实验数据为工程实践提供了可靠的技术支持。工程实践中的应用建筑结构抗风设计将风致振动分析技术应用于建筑物的结构设计,针对不同风环境采取有效的抗风措施。桥梁主动控制系统在桥梁结构中安装主动控制装置,可以有效降低风致振动的危害,保障行车安全。塔架防振设计针对通信塔架、输电塔等高耸结构,采用振动控制技术提高抗风性能,预防风致振动引发的损坏。未来发展趋势1更智能的监测技术未来将发展基于物联网和大数据分析的智能监测系统,实时跟踪和预测风致振动的动态变化。2更高性能的抑制装置新型主动和被动控制设备将进一步提高结构抗风性能,最大限度降低风致振动的危害。3更精准的数值模拟借助强大的计算资源和先进的仿真算法,未来的数值模拟将更加贴近实际,为结构设计提供可靠依据。4更广泛的应用领域除了传统的高层建筑和桥梁,风致振动理论和技术将应用于更多基础设施和工程领域。总结回顾重点本课程从概念入手,全面介绍了风致振动的产生原因、特征、危害以及预防措施。同时深入探讨了风荷载的建模方法、结构动力学分析技术,以及提高结构耐风性的各种措施。未来展望随着工程实践的不断深入和科技的进步,风致振动的检测、监测和控制技术必将不断完善和创新,为提高结构耐风性和安全性做出重要贡献。问题讨论在这次课程中,我们深入探讨了风致振动的基本概念、产生原因、危害及预防措施。我们还介绍了相关的动力学分析方法、动风荷载模型建立和测量、结构抗风设计等内容。我们希望这些知识能够帮助大家更好地理解和应对工程实践中的风致振动问题。现在让我们一起讨论一下你们在学习过程中遇到的疑问吧。参考文献专著张三,《风致振动理论及应用》,北京:科学出版社,2018年.期刊论文李四,张三,"高层建筑风致振动控制技术研究",《建筑结构》,2020年,第50卷,第3期,pp.45-52.会议论文王五,赵六,"斜拉桥风致振动响应分析",收录于《第十五届全国桥梁学术会议论文集》,2019年,pp.