学术前沿|结构风工程-李惠教授

日期：20160310

注： 本人缺乏风工程基础，本篇笔记难免有错误之处。

引言

结构风灾害案例：

• 日本明港西大桥拉索风雨振；
• 东京港大桥振动；
• Tacoma Narrows Bridge颤振破坏；

Tacoma Narrows Bridge

结构对象

对风敏感的结构：

• 桥梁，大跨度悬索桥、斜拉桥；
• 高层高耸结构；
• 大跨（索膜）结构；
• 风能发电结构（海洋+陆地）；
• 输电结构（电塔+电线）
• 海洋结构
  • 海洋平台
  • 输油管道

这些结构的共同特点是：

• 柔度大，基频低；
• 阻尼比小；

在实际的振动问题中，阻尼的影响可能比频率f更大。
研究的视野要宽广，不要只局限于建筑结构，还应该看到桥梁、电力、能源的应用。

风振基本问题

动力学基本方程如下：

\begin{equation}
m \ddot{x} + c \dot{x} + kx = F(t)
\end{equation}

在地震工程中$F(t) = m \ddot{x}_g$，在风工程中$F(t)$即为风压荷载。在不同的风速下风压荷载的形式不同：

• 脉动风，时变；
• 层流风，定常；

由于绕流场不同，风荷载模型的表达形式不同，普遍的隐式表达式;

\begin{equation}
F = F(u,I,L,A,S,t)
\end{equation}

其中：

• u--风速；
• L--结构尺度；
• t--时间；
• 其余参数含义不懂；

绕流场的影响因素：

• 结构的形状；
• 流固耦合作用；

国内研究机构

• 同济大学，桥梁抗风，项海帆院士在80年代初创建风洞；
• 西南交大，铁路桥梁风工程；
• 哈工大-大跨空间结构组，大跨结构风工程的关键在于结构形状复杂，孙瑛老师创建风荷载试验数据库系统；
• 哈工大-深圳研究生院，高层结构抗风研究；

哈工大放在课题组（Structure Monitoring Cneter，SMC）起步较晚，其他机构普遍关注于风荷载$F(t)$的研究，SMC选择了更深层的流场研究和健康监测作为战略方向：

• 研究流场，分析风荷载的形成；
  一般的风洞试验主要测试风压为结构设计提供依据；
• 桥梁风振监测；
  首次将PIV粒子成像系统应用于风工程（陈文礼教授，高东来博士）；

常见振动的形式

风致振动的主要形式有5种：

• 涡振，东京港大桥高层结构；
• 颤振，Tacoma Narrows Bridge；
• 风雨振，斜拉桥拉索；
• 抖振，所有结构普遍存在；
• 弛振
  • 单纯弛振
  • 尾流弛振（输电线）；

风荷载的形式影响振动系统的性质：

• $F(t)$，荷载仅与时间相关，则系统为线性系统，与典型的结构动力学模型一样；
• $F(t,y,y^{'},yx)$，荷载与结构振动状态耦合，形成非线性系统，不满足叠加原理

涡振

涡振由层流风（定常，无脉动）引起，当尾流漩涡脱落时的频率与结构自振频率相等$f_v = f_c$，激发结构横向振动。示意图如下：

涡振示意图

振动特点：

• 限幅振动；
• 滞回现象；
• 群体效应；

限幅振动

在非线性动力学中，阻尼与位移加速度相关，即$c = c(y,y^{'})$。在小位移，低速度的状态下，风的动能输入使得$c<0$，负阻尼，振幅不断加大；当振动达到临界状态$ c=0 $，0阻尼情况下，结构自由振动，振幅不变。

总阻尼 = 固体阻尼 + 气动阻尼

滞回现象

涡振滞回示意图

如图

• 风速增大，振幅增大到一定程度，然后消失；
• 风速减小，振幅先增大后减小，但与风速增大过程的曲线不同；

即相同的风速下可能处于不同的振动状态。

群体效应

群体效应

多栋建筑距离较近时，风场形成的涡流相互影响。

案例

双箱梁钢桥截面

双箱梁的截面设计本来为了减少颤振（事实上的确减小了颤振），但引起了涡振，双箱之间形成涡流。
风洞模型试验没有发现涡振，这很可能是模型阻尼小造成涡振差别很大。

模型与实桥的雷诺数Re差别很大：

• 实际$10^8$
• 模型$10^5$

此为一大研究难题。

颤振

颤振，即导致Tacoma Narrows Bridge破坏的振动形式，是桥梁设计的控制因素，规范严格控制颤振。

涡振与颤振均由层流风引起：

• 低风速（4m/s-12m/s），涡振
• 高风速（12m/s-50m/s），颤振

国内测量的最高风速为100m/s，颤振设计临界风速一般为65m/s。

颤振的研究分为3个时期：

• 30-70年代；
• 80 年代；
• 80-至今；

30-70年代

主要研究航空领域机翼的颤振，机翼为平板结构不能直接应用于桥梁结构。

桥梁的气动断面主要有：

• 桁架，美国日本多采用；

  
  
  

  桁架梁-明石海峡大桥

• 箱梁，欧洲中国多采用；

  
  
  

  箱梁-南京长江二桥

桁架梁结构可以看做上下2片平板，直接采用机翼颤振理论；
箱梁的颤振气动自激力模型由 Robert H. Scanlan（The Johns Hopkins University霍普金斯大学）提出，假设单模态颤振。

80 年代

考虑桥梁结构跨度越来越大，高层建筑越来越高，结构跨越不同的风场，故研究多模态颤振模型。

80-至今

发现颤振的2种类型

• 硬颤振，很快导致结构破坏；
• 软颤振，不会快速破坏；

两者在气动自激力有差别。

抖振

抖振由脉动风引起，采用结构随机振动理论求解。

• 风荷载->脉动风速谱；
• 由伯努利方程将风速转换为风压；
• 加载，求解；

抖振理论由Alan G. Davenport（Canada，风工程专家、边界层风洞创始人）在1972年创立：

• 流固耦合；
• 气动导纳函数；
• Sears函数；

有待研究点：

• 气动导纳；
• 结构体量很大时，不同部位启动特性的相关性；
• 考虑结构振动的气弹模型，目前试验普遍采用刚性模型；

风雨振

在一定的风雨组合下，雨水在斜拉索表面形成水线，改变拉索的气动外形，引发强烈振动。可以在斜拉索表面加螺旋线，防止水线形成，控制振动，但机理尚不清楚。

弛振

在一定的风攻角，圆截面的构件迎风面实际变成椭圆，引发弛振。

研究方法

• 风洞试验；
• 数值计算；
• 现场监测；
• 理论研究；
• 风洞试验技术，陈文礼老师；

问题：

• 风雨振试验，难以测量表面风压，如果布置测试则破坏水线，无法形成风雨振；
• 风荷载较难在风洞实验室模拟重现；
• 大尺度涡流（500 m）难以在实验室制造，实验室尺度不超过20 m；
• 现场监测试验，流场的检测困难；
• 高雷诺数（$Re = 10^8$）的数值求解问题，无法忽略小涡的影响；

应用

• 烟囱效应：高层结构内外温度、气压差别较大，风声很大，电梯门关不住；
• 测试风场分布，确定风能最大的地方，建立风力发电站；