桥梁抗风 · 抖振交互课堂

BUFFETING / 课后概念实验室

一阵风,怎样带动桥面小幅振动?

课上听过的抽象概念,在这里亲手验证。先预测,再拖动;同一输入、同一时刻,比较改动前后的响应。

拖动风谱
调结构固有频率
直接看响应变化
课后再试 用四次小操作,检查自己是否理解 可随时展开,不影响自由操作

先想一想:只改结构固有频率,风与荷载会跟着改变吗?然后拖橙色 fₙ 标线。

展开后,以当前方案为参照;操作后会显示真实计算结果。

一次只改一个量;比较各自稳态,不表示调参瞬间的过渡过程。
随机抖振、自激振动与涡振,输入分别来自哪里?

抖振以大气湍流为外部随机输入;自激气动力与结构自身运动有关;涡振涉及尾流脱涡与结构运动的耦合。随机时程里出现较规则的振动,不能据此判定为涡振或颤振。本页的线性强迫响应模型用于理解抖振,不用于判定实际桥梁的颤振边界。对应课件第23、25、27、32–34页的概念辨析。

χ、|χ|²,与屏幕上的“保留百分比”是同一回事吗?

χ 是气动导纳,描述来流到截面荷载的频率响应。单个频率的幅值乘 |χ|,功率谱乘 |χ|²。屏幕给出的整体荷载 RMS 保留比例还取决于当前风谱的权重,不能当作所有频率共用的 χ。本页桥宽积分用于演示局部抵消,实际气动导纳还需气动试验或可信数值计算。对应课件第21–22页。

H、动力放大系数与动压平方项,分别说明什么?

H 把力转换为位移,单位为 m/N;动力放大系数以同一载荷下的静位移为参照,是无量纲比值,二者不能直接混用。线性化省略 ½ρu² 是气动力近似,与结构共振放大是不同问题。有限的线性强迫共振也不等于系统发生颤振。可返回“动压怎样线性化”和“风→力→响应”分别验证。

沿风 u → 横向阻力 → 横向位移
大涡覆盖桥面,各处受力较同步围绕平衡位置,小幅上下波动位移局部显示 20×;曲线高度表示阵风大小,并非流线
平衡位置
彩色:现在虚线:平均风下的平衡
0°
桥面在平衡位置的哪一侧?向上 / 向下,看青色游标

中间虚线是平衡位置;曲线在两侧往复。此图比较同一来流相位下的各自稳态。

追踪一个频段:它怎样变成位移?课件第20–22页 · 展开后动手看

横坐标上的同一个频率,依次经过气动平均和结构频响。先选一小格,再看它对总振动贡献多少。

对数拖条便于选低频;实际计算取最近的离散频率,格宽 Δf = — Hz。

风速谱 Sᵤ—(m/s)²/Hz
气动平均× χ²—无量纲
荷载谱 Sꜰ—(N/m)²/Hz
结构频响× |H|²—(m²/N)²
位移谱 Sᵩ—m²/Hz

Sꜰ(f) = G²χ²(f)Su(f)Sᵩ(f) = |H(f)|²Sꜰ(f)

—

选中的只是一小格,整条谱一起决定总振动。位移功率谱 Sᵩ / (m²/Hz)
此图横轴为线性频率;每格面积 = Sᵩ(fⱼ) Δf,所有格子的面积相加就是位移方差。
这一小格Sᵩ Δf = — m²占总位移方差 —%
所有频段相加,再开方σᵩ = √Σ Sᵩ(fⱼ) Δf = — mm拖上方的结构频率或开关导纳,看看贡献移到哪里。

功率谱按平方增益传递;不同位置的谱具有不同单位,因此这里逐步代入,不把它们当作同一种量比较高低。导纳仍采用页面注明的均匀桥宽教学积分模型。

需要时再看:局部荷载、公式与模型假设
16 条带的正负脉动荷载,使用同一标尺
正贡献 —负贡献 —此刻合力 —谱模式按来流3σ荷载归一化;单频模式按完全同步合力幅值F₀归一化。瞬时合力与上方RMS/幅值比例不同。

拖输入,或拖结构,再看同一时刻。

风谱图显示 fSᵤ,让每个对数频段的风能可见。青色峰点左右改变积分尺度,上下改变沿风风速标准差;橙线在质量不变时改变结构刚度与固有频率。谱图使用固定坐标,灰色保存改前方案。

S_q(f) = |H(f)|² |χ(f)|² (ρŪCᴅD)² Sᵤ(f)
位移 RMS = √∫S_q(f)df

计算与比较的含义

0.00625–2.5 Hz 内400个谐波,共用固定随机相位;风、局部荷载、合力、位移逐级保留复相位。前后方案在同一物理时刻比较各自稳态,不把调参视为实际过渡过程。课件第9页的 von Kármán 形状在该离散频带重新归一化至给定风速方差,因此拖尺度时总输入方差保持不变。

首屏是每延米质量20,000 kg/m的横向单自由度,初始fₙ=0.22 Hz、σᵤ=1.5 m/s、Ū=25 m/s、Lᵤ=80 m,D=3.2 m、Cᴅ=1.1。导纳为均匀桥宽平均的教学模型;没有用现场气动试验校准。拉桥面释放时叠加同参数的自由衰减,位移连续、释放速度为零。

课堂操作与制作说明原程序复核与公式来源