【《桥梁的颤振研究现状与不足文献综述》4100字】

第页桥梁的颤振研究现状与不足文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u5057桥梁的颤振研究现状与不足文献综述 141001.1气动自激力与颤振导数 194581.2颤振导数的识别 251101.3颤振临界风速的确定 273451.4非线性颤振理论的发展 291181.5颤振的计算方法 310671.6颤振时域分析方法 4144551.7后颤振研究的不足 414316参考文献 51.1气动自激力与颤振导数桥梁颤振研究的首要核心工作是气动自激力的准确模拟。气动自激力是桥梁受到风的作用而产生振动，当桥梁结构处于振动状态时，气动力会因结构振动而发生变化，这一变化反过来又会激励结构的振动，这种因气流与结构相互作用而形成的称为气动自激力。桥梁颤振就取决于非定常的气动自激力。早在旧塔科马桥风毁事故前，Theodorse就已基于二维流动的条带假定，提出了理想平板气动自激力理论和非定常气动力解析式[1]。它能比较好的模拟等宽直机翼的气动自激力。但在桥梁的钝体断面上，气流会出现涡旋脱落和流动分离现象，此时二维流动理论已经不再适用，很难通过平板气动自激力理论得出桥梁主梁断面的自激力的解析式。二十世纪中期，在无法通过理论公式求得主梁断面的自激力后，学者们只能通过风洞试验来测定真实桥梁断面的自激力。为了能够根据节段模型风洞试验结果，推算出实际桥梁的自激力，所以必须要找出只与主梁断面形状相关的无量纲参数，以此来实现节段模型的气动自激力与实际桥梁之间的转换。1971年，Scanlan将机翼的颤振导数理论推广到桥梁抗风设计中，建立了运用于桥梁设计中的颤振导数理论[3]。首先引入6个无量纲参数来表示主梁断面的非定常气动自激力表达式。而后发展为引入8个无量纲参数，以及考虑将侧向运动对气动自激力影响的18个无量纲参数，将二维气动自激力扩展到三维气动自激力[4-5]。1.2颤振导数的识别颤振导数在桥梁颤振分析中是非常重要的参数。就目前而言，颤振导数的识别方法主要有节段模型风洞试验和计算流体力学（CFD）数值模拟法两种。Scanlan等人在1971年首次提出自由振动的识别方法，但是这种方法计算颤振导数时，需要让模型在同一个频率下作竖向、扭转两自由度的耦合振动，其对试验要求比较高且数据处理也很繁琐、识别精度也不高[3]。虽然之后采用系统识别的方法，但总体来说，自由振动法的设备虽然简单但依然准确性不高。而强迫振动法虽然设备较为复杂，但其识别结构可靠，数据处理也比较方便。所以，在桥梁的颤振导数识别中强迫振动法运用得更加广泛。陈政清院士在国内率先实现了采用强迫振动法识别桥梁断面颤振导数，并且为实现节段模型强迫振动风洞试验，开发了一套振动激励系统，用于悬挂和驱动节段模型做强迫振动[6-7]。目前计算流体力学技术发展得很快，对于静力三分力系数的模拟也比较准确，而用CFD技术识别桥梁颤振导数仍然有困难，其动网格划分和对于桥梁上的附属结构的模拟仍然需要深入研究。1.3颤振临界风速的确定结构由气动稳定状态转变为发散振动状态对应的风速即为颤振临界风速。目前的桥梁颤振分析，大部分都是确定桥梁结构的颤振临界状态和相应的颤振临界风速。桥梁结构在还未发生颤振时，桥梁结构的振幅不大，因此可以满足线性叠加原理，即使是颤振临界状态，结构仍然可以认为是小振幅的等幅振动状态。所以可以用线性振动理论来对颤振临界风速进行预测。但在颤振发生后，桥梁的振动就不再符合线性振动理论了，桥梁就会发生大变形的振动，属于非线性颤振问题。当风速超过颤振临界风速后，结构最终会处于一个在有限振幅内振动的状态的，也就是非线性的“软颤振”现象。因此当前的线性颤振理论不再使用后，只有建立一个非线性的桥梁颤振理论，才能更好地分析研究桥梁的后颤振现象。1.4非线性颤振理论的发展近些年来，已经有国内外学者对主梁断面的非线性颤振问题进行了研究，但相关理论与研究还未完善。2001年，徐旭等提出了应用于柔性结构的三方向完全耦合的非线性气动力模型，此模型比较复杂，需要先根据桥梁实际情况作适当的简化处理，才能进行下一步计算[21-22]。张朝贵采用Vanderpol方程建立了主梁断面的非线性气动自激力模型，并提出了出现“软颤振”的根本原因是气动阻尼的非线性效应[23]。王骑等采用泰勒级数展开的方式，提出了用不同谐波分量叠加的非线性气动自激力模型，并通过风洞试验进行了验证[24]。Wu等提出了基于人工神经网络的一种非参数化模型来描述气动力的迟滞非线性特性[25]。以上模型都只适用于当动态风攻角变化时瞬时气动力的非线性效应，而不能表达随运动振幅变化的气动力非线性效应。朱乐东等提出了一种引入非线性颤振导数的非线性自激力模型，该模型能描述气动自激力随振幅变化的非线性特性[26]。刘十一等提出了大振幅下的非定常气动自激力模型，通过附加的非线性微分方程组与附加气动力自由度模拟气动自激力的记忆效应和随着振幅变化的非线性特性[27]。虽然国内外的一些学者提出了一些非线性气动自激力模型来对桥梁非线性颤振问题进行分析与研究，但大多只考虑单一模态而忽略了竖向自由度，不能描述气动自激力随着振幅变化的非线性特性。事实上，在桥梁的非线性颤振分析中，气动自激力随振幅变化的非线性特性是非常重要的。因此，对桥梁耦合非线性气动自激力模型的研究仍需要大力开展。1.5颤振的计算方法目前桥梁抗风研究中，常用的计算方法是频域法和时域法。频域法在目前来说研究发展得比较成熟了，众多学者提出的颤振频域方法大致可以分为两类。一种是模态叠加法，它是通过固有的结构模态坐标进行颤振问题求解。1989年，Agar将颤振问题进一步转化为了一种不对称的矩阵特征值计算问题，采用了在风速和颤振频率两个不同参数进行搜索迭加的分析方法，建立了较为完善的基于两个参数的多模态颤振分析方法[8]。1993年，陈振清院士首次提出了一种单参数搜索M-S法[9]，华旭刚成功实现了M-S法全域自动搜索过程[10]。另一种颤振频域计算的方法是直接计算法，也被称之为全模态法，即基于桥梁的有限元全模型中的物理坐标来求解。1990年，Miyata和Yamada最早成功地提出了一种直接进行颤振分析的方法，但该颤振分析方法忽略了阻尼对于桥梁结构的影响并且计算量庞大[11]。之后，Dung对此颤振分析方法提出了一些改进，使用模态追踪法来求解颤振特征方程[12]，虽然有效地缩减了此颤振分析方法所需的计算时间，但是依旧无法比较好地考虑桥梁结构的阻尼。葛耀君在2000年提出了一种双参数搜索的物理坐标方法，该计算方法可以有效地计入对于桥梁结构阻尼的影响[13]。为了更好地便于在大型通用有限元分析软件的基础上实现对桥梁的颤振分析，华旭刚等人提出了基于ANSYS进行颤振分析计算的有限元模型与研究方法[14]。1.6颤振时域分析方法对于大跨度桥梁，在强风作用下，桥梁会出现较大的变形，此时需要考虑几何非线性甚至材料非线性等问题，而频域法难以准确考虑非线性问题，此时需要采用时域法。时域法能够比较好的考虑到这些非线性因素，所以在强风作用下的大跨径悬索桥在进行后颤振响应这类非线性气弹问题时，使用时域法分析是比较合适的。到目前为止，关于桥梁非线性后颤振响应分析研究仍不是非常成熟。研究表明，桥梁后颤振分析中的非线性因素主要包括气动力非线性、材料非线性和几何非线性。Scanlan等首次提出了时域颤振分析方法，利用阶跃函数来表达桥梁的自激气动力时程[15]。Bucher等人通过脉冲响应函数来表示桥梁自激气动力，实现气动自激力的时域表达[16-18]。在颤振LCO方面，Tang等在只考虑结构非线性变化时，都分析了机翼的极限环振动[19]。在气弹非线性方面，Tran等通过采用半经验模型来进行气动力非线性研究，提出了ONERA模型[20]。就目前而言，提出的许多半经验模型大多是用于机翼的抗风研究，并不适用于桥梁的非线性气动力研究。丁泉顺采用阶跃函数开展了颤振时域计算[28]。张新军等人采用时程分析的方法，计入了附加风攻角对颤振的影响[29]。张志田等通过对比研究有理函数和阶跃函数的极限特性，发现有理函数模拟时域气动力时会在结构大变形条件出现失真并由此提出了修正方法，以此保障了时域颤振计算结果的可靠性[30]。卿前志通过脉冲响应函数并结合有理函数建立气动自激力表达式，在ANSYS中实现了颤振时程分析的计算流程[32]。吴长青对大跨度悬索桥的后颤振响应特性与强健性进行了研究，建立了多种风效应一体化的气动力时域模型，但仍不能包含全部的平均风效应，并且忽略了平均分引起的附加风攻角效应[31]。1.7后颤振研究的不足后颤振是在多座大跨桥梁客观存在的非线性自激振动。桥梁软颤振与硬颤振在现象、诱因、机理及对结构影响方面都明显不同。基于线性自激气动力理论，无法解释桥梁软颤振，至今在国内外桥梁风工程界未被重视。线性分析理论尽管相对简单，处理一些问题也可达到可接受的精度，但对大跨柔性桥梁，线性理论是近似的，精细化的非线性分析是科学发展趋势，颤振分仍存在很多亟待解决的问题。桥梁后颤振的研究相对较晚，虽然前人对桥梁非线性气动力问题的研究已经取得许多成果，但大多数还是基于瞬时的非线性气动力效应，不能描述随着振幅变化的非线性气动力。但在全桥的非线性颤振分析中，随着振幅变化的非线性气动力特性变得尤为重要。因此，桥梁断面的后颤振特性和更多的分析方法还需要耐心探索。参考文献JTG/T3360-01-2018,公路桥梁抗风设计规范[S].TheodorsenT.Generaltheoryofaerodynamicinstabilityandthemechanismofflutter.NACAReport,No.496,Langley,1935,291‒311ScanlanRH,Tomko,JJ.Airfoilandbridgedeckflutterderivatives.JournaloftheEngineeringMechanicsDivision,1971,6:1717‒1737SarkarPP,JonesNP,ScanlanRH.Identificationofaeroelasticparametersofflexiblebridges.JournalofEngineeringMechanics,1994,120(8):1718‒1742SinghL,JonesNP,ScanlanRH,etal.Identificationoflateralflutterderivativesofbridgedecks.JournalofWindEngineeringandIndeustrialAerodynamics,1996,60(1):81‒89陈政清，于向东．大跨度桥梁颤振自激力的强迫振动法研究．土木工程学报,2002,35(5):34‒41陈政清，胡建华．桥梁颤振导数识别的时域法语频域法对比研究.工程力学,2005,22(6):127‒133AgarT.Aerodynamicflutteranalysisofsuspensionbridgesbyamodaltechnique[J].EngineeringStructures,1989,11(2):75-82.ChenZQ.Thethreedimensionalanalysisofbehavioursinvestigationonthecriticalflutterstateofbridges.Proc.Symp.onCableStayedBridges,1994.华旭刚,陈政清.桥梁风致颤振临界状态的全域自动搜索法[J].工程力学,2002.MiyataT,YamadaH.Coupledflutterestimateofasuspensionbridge[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,1990,33(1):341-348.Flutterresponsesinlongspanbridgeswithwindinduceddisplacementbythemodetracingmethod[J].JournalofWindEngineering&IndustrialAerodynamics,1998,77-78(none):367-379.GeYJ,TanakaH.Aerodynamicflutteranalysisofcable-supportedbridgesbymulti-modeandfull-modeapproaches[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,2000,86(2):123-153.HuaXG,ChenZQ,NiYQ,etal.Flutteranalysisoflong-spanbridgesusingANSYS[J].Wind&StructuresAnInternationalJournal,2007,10(1):61-82.SCANLANRH.BUDLONGK.BELIVEAUIG.IndicialAerodynamicFunctionsforBridgeDecks[J].JournalofSanitaryEngineeringDivision,1974,100.BucherCG,LinYK.StochasticStabilityofBridgesConsideringCoupledModes[J].JournalofEngineeringMechanics,1988,114(12):384-400.BucherCG,LinYK.Stochasticstabilityofbridgesconsideringcoupledmodes:II=Stabilitéstochastiquedeponts,considérantdesmodescouplés:II[J].Jour