最新桥梁颤振理论课件PPT.ppt 93页

'桥梁颤振理论 8.1相关的基本概念桥梁抗风设计有很多地方不同于建筑结构，在此先将要涉及的一些术语介绍如下：基本风速：桥梁所在地区中的开阔平坦地面以上10m高度处100年重现期的10min平均年最大风速设计基准风速：在桥梁所在地区基本风速的基础上，考虑桥位局部地表粗糙度影响的桥面高度处100年重现期的10min平均年最大风速。设计风荷载：进行静力抗风设计所采用的风荷载。跨度较小、刚性较大的桥梁可只考虑阵风荷载作用下的强度问题，较大跨度的柔性桥梁应考虑风致振动引起的动力风荷载作用。 风的攻角：由于地形的影响，近地风的方向可能对水平面产生一定的倾斜度，称为风的攻角。具有攻角的风可能对桥梁的风致振动，如颤振，产生不利的影响。一般认为高风速时的平均攻角约在±3°之间。阵风系数：瞬时风速与10min平均风速的比值。计算阵风荷载时应采用时距为1～3s的瞬时（阵风）风速，即由阵风系数乘以设计基准风速求得。静力扭转发散：在空气静力扭转力矩作用下，当风速超过某一临界值时，悬吊桥梁主梁扭转变形的附加攻角所产生的空气力矩增量超过了结构抵抗力矩的增量，使主梁出现一种不稳定的扭转发散现象。静力横向屈曲：作用于悬吊桥梁主梁上的横向静风载超过主梁侧向屈曲的临界荷载时出现的一种静力失稳现象。 图8-1Tacoma悬索桥的风毁事故资料照片 风对桥梁的作用是一个十分复杂的现象，它受到风的自然特性、结构动力性能以及风与结构的相互作用三方面的制约。由于地表的起伏和各种建筑物的影响，使得近地风的风速和风向及其空间分布都是非定常的（即随时间变化的）和随机的。当这种带有脉动成份的风绕过非流线形截面的桥梁结构时，就会产生旋涡和流动分离，形成复杂的空气作用力。这种作用力可能引起桥梁的振动，而桥梁结构的振动又将引起流场的改变，这种相互作用的机制使得问题更加复杂。从工程抗风设计角度，可以把自然风分解成不随时间变化的平均风和随时间变化的脉动风两部分的叠加，分别考虑它们对桥梁的作用，即静力作用和动力作用两种作用的现象和机制见表1。一、风对桥梁作用的现象及作用机制 表1　风对桥梁作用的现象及作用机制分类现象作用机制静力作用静风载引起的内力和变形平均风的静风压产生的阻力、升力和力矩作用静力不稳定扭转发散静（扭转）力矩作用横向屈曲静阻力作用动力作用抖振（紊流风响应）限幅振动紊流风作用自激振动涡振旋涡脱落引起的涡激力作用驰振单自由度发散振动自激力的气动负阻尼效应——阻尼驱动扭转颤振古典耦合颤振二自由度自激力的气动刚度驱动 桥梁抗风设计的目的首先在于保证结构在施工阶段和建成后的营运阶段能够安全承受可能发生的最大风荷载的静力作用和由于风致振动引起的动力作用。因此，首先应掌握架桥地点的风特性，决定桥梁的设计风速，并据此推算风对桥梁的作用，校核抗风安全性，如果有可能出现有害的振动或变形，就应考虑适当的防止对策或进行设计变更。二、桥梁抗风设计目的和基本过程（1）桥梁抗风设计的目的 抗风设计中的重要因素有：（1）风特性参数　应通过调查和收集气象资料掌握桥址处的风特性，并采用正确的方法确定合理的参数供抗风设计使用。特别要注意桥址处特殊的地形、地貌和风向条件，以便对常规的取值进行必要的修正。（2）桥梁的动力特性　需采用合理的力学模型，并注意边界支承条件的正确处理。对计算结果要通过与相似桥梁的比较检验其合理性和可靠性，其中特别是对于主梁前二阶对称和反对称的竖向弯曲、侧向弯曲和扭转振型要作出正确的判断。（3）桥梁风荷载、颤振临界风速、抖振响应　抖振响应的正确预测主要取决于桥梁的动力特性、主梁断面的气动特性和紊流风特性。（2）桥梁抗风设计中的重要因素 对于一般的大桥，初步设计阶段的抗风分析可采用近似的公式对各方案的静风载内力和气动稳定性进行估算，待方案确定后再通过节段模型的风洞试验测定各种参数，进行抗风验算和风振分析。对于重要桥梁，宜在初步设计阶段通过风洞试验进行气动选型，为确定主梁断面提供依据。在技术设计阶段再对选定的断面方案进行详细的抗风验算和风振分析，还应通过全桥模型的风洞试验对分析结果予以确认。（3）桥梁抗风设计的基本过程桥梁抗风设计的过程见图8-2。 结构型式动力特性截面选择假定阻力系数设计风载阵风系数设计风速基本风速气象资料重现期假定Th值颤振风速估计节段模型风洞试验各类风振分析全桥气弹模型试验三分力试验抗风措施抗风措施稳定性验算静力抗风设计算是否要进行全模型验算静力抗风验算检验不安全很安全不安全及格很安全满意不够满意否满意不够满意是及格阶段I阶段II阶段III图8-2桥梁抗风设计过程 8.3风对桥梁的静力作用一、作用在桥梁结构上的平均风荷载1.主梁静力三分力及静力三分力系数yxFLFVMZFDFHo风体轴坐标系和风轴坐标系αa 升力力矩式中：为空气密度，H为梁高，B为梁宽，L为长度，为气流的动压。CH、CV、CM分别为主梁的阻力系数、升力系数、力矩系数，它们由节段模型试验提供。阻力在体轴坐标系下，静力三分力表达为： 升力力矩式中：为空气密度，H为梁高，B为梁宽，L为长度，为气流的动压。CD、CL、CM分别为主梁的阻力系数、升力系数、力矩系数。阻力在风轴坐标系下，静力三分力表达为： 2.桥塔、主缆及拉索上平均风荷载式中：D为桥墩、塔柱宽度或拉索外径，其余参数意义同上。计算桥塔和拉索承受的风荷载时，按风剖面变化考虑不同高度的风速。由于桥墩、塔柱、拉索截面较为规则其阻力系数CD可按《公路桥梁抗风设计指南》取值或通过模型实测 二、扭转发散Ka弹性轴aV扭转发散问题的几何位置与参数令扭转弹簧刚度为Ka，其含义为梁段发生单位转角所需的气动力矩。扭转角为a，平均风速为V，桥面宽为B，则单位长度的气动力矩为：为绕扭转轴转动的气动力参数。式中： 代回风速计算式: 对于单跨简支的悬索桥，可采用以下公式估算横向屈曲临界风速三、横向屈曲 四、桥梁空气静力稳定性的非线性分析考虑结构的几何非线性及静力三分力随攻角的变化，采用非线性有限元方法进行分析。该方法可以将横向屈曲和静力扭转发散一并考虑，是研究桥梁空气静力稳定性的较为完善的方法。 8.4桥梁动力特性及其计算分析桥梁结构动力特性是桥梁抗风设计中的重要资料，进行桥梁风致振动计算分析和桥梁模型风洞试验，都须以结构动力特性为依据。这里首先介绍如何采用有限元方法进行悬索桥和斜拉桥的结构动力特性分析，然后介绍采用近似公式计算桥梁基频。 频率——单位时间内系统简谐振动的次数，常记为f，单位为Hz（次/秒）。简谐振动的频率等于周期的倒数。圆频率w=2pf，单位为（周/秒）。振型——结构以某一频率做箭谐振动时，结构各点相对位移的关系。阻尼——结构在做有阻尼自由振动时振幅衰减的程度一、频率、振型及结构阻尼阻尼比与对数衰减率的关系对数衰减律 桥梁种类阻尼比阻尼比的统计范围钢桥0.0050.5%~1.0%结合梁桥0.011.0%~1.5%混凝土桥0.022.0%~3.0%结构的频率和振型可以通过结构动力特性分析获得，结构阻尼与材料、结构形式等多种因素有关，无法通过计算取得。桥梁抗风设计中结构的阻尼比可以取以下经验值： 二、采用有限元方法计算桥梁结构动力特性 空间杆单元 空间梁单元 ANSYSALGORSAP2000ADINANASTRANABAQUSDIANA进行结构动力特性分析常用的商业有限元软件 悬索桥结构动力特性示例 阶次频率(Hz)振型特点10.0693纵漂20.1419L-S-130.2163V-S-140.2690V-A-150.3954V-S-260.4106L-A-170.4806V-A-280.5020主塔横摆90.5129主塔横摆100.5614T-S-1110.6437V-S-3120.6620V-A-3130.7039V-S-4140.7045L-S-2150.7480边跨竖向160.7634T-A-1 斜拉桥结构动力特性计算示例 第一对称竖弯 第一反对称竖弯 第一对称扭转 第一对反称扭转 桥梁颤振分析中重要的模态第一对称竖弯第一对称扭转第一反对称竖弯第一反对称扭转桥梁抖振分析中重要的模态结构前20-30阶模态 其中：L——跨度（m)；EJ——加劲梁的竖弯刚度（N.m2)；Hg——恒载单根主缆水平拉力(N)；m——桥面和主缆的单位长度总质量，m=md+2mc；md——桥面单位长度质量(kg/m)；mc——单根主缆单位长度质量(kg/m)。f-——主缆矢高。单跨简支悬索桥一阶反对称竖弯对于跨度超过500米的悬索桥三、桥梁基频的近似计算 单跨简支悬索桥一阶对称竖弯其中：L——跨度（m)；Ec——主缆弹性模量（N.m2)；Ac——单根主缆截面积(N)；W——桥梁单位长度重量； 单跨简支悬索桥一阶反对称扭转其中：EJw，EJd——加劲梁的约束扭转和自由扭转刚度(N.m2和N.m4)，对闭口箱梁，约束扭转刚度可以忽略；r——加劲梁惯性径（m)；Bc——两边索的中心距(m)；W——桥梁单位长度重量；单跨简支悬索桥一阶对称扭转 8.5桥梁空气动力失稳 一、非定常气动力当结构发生振动时，由于周围的绕流受结构变位的干扰而发生变化，导致作用在结构上的空气力也随时间发生变化。这种作用力由于是伴随结构振动产生的，称为自激气动力，它是非定常气动力的主要形式。1935年，Th.Theodorson首先从理论上研究了薄平版的非定常气动力。他根据流体力学势流理论求得了作用于振动平板上的非定常气动力的解析表达式。对于图示二维理想平板，在均匀水平流场中作微小振动时所受到的非定常空气升力和力矩可表达为：（1）Theodorson平板空气力公式 式中r——空气密度；b——平板的半宽度；v——空气流速；h和a分别为截面的竖向和扭转位移；为折算频率，w为圆频率； （2）Scanlan桥道气动力公式由于桥梁断面属于非流线型的钝体，其绕流形态及空气力比平板复杂得多，无法通过解析方法获得桥道的非定常气动力。为此，Scanlan提出了用颤振导数(flutterderivatives,也称为气动导数)表达的线化的桥梁断面非定常气动力模型，通过桥梁节段模型风洞试验测取表达式中的颤振导数。 式中：无量纲系数称为颤振导数（气动导数）。颤振导数的物理意义1.2. 典型断面颤振导数曲线 典型断面颤振导数曲线 二、桥梁颤振理论经典颤振（弯扭耦合颤振）——竖弯模态和扭转模态相互耦合的弯扭耦合颤振，常发于扁平流线型桥梁断面。分离流扭转颤振（单自由度扭转颤振，失速颤振）——以扭转模态为主的颤振，常发生于钝体桥梁断面，如槽型、工字型断面。颤振计算分析——确定颤振临界风速Vcr （1）桥梁颤振计算理论的发展1948年Bleich第一次用Theodorson的平板空气公式来解决悬索桥的颤振分析。他认为在悬索桥中常用的桁架加劲梁的上承桥面接近于一块平板，此时悬索桥的二维颤振微分方程可以写成： 上述颤振计算方法只能考虑桥梁两个模态的贡献，因而是近似的计算方法。随着计算机和有限元方法的发展，建立了能够考虑桥梁全部模态贡献的多种频域分析方法和时域分析方法，如状态空间法、复模态分析方法、PK法等。这些方法属于“精确”的分析方法。 （2）影响桥梁颤振的主要因素扭弯频率比质量及质量惯矩结构阻尼主梁气动外形越大，颤振临界风速越高。m、Im越大，颤振临界风速越高。对于分离流扭转颤振，扭转阻尼比越大，颤振临界风速越高；对于弯扭耦合颤振，结构阻尼对颤振的影响较小。１.重要因素 2.振型贡献率 （3）抗风设计中的经验公式对于非平板的实际桥梁断面，一般应通过风洞试验确定相对于平板临界风速的截面形状折减系数hs和攻角折减系数ha，在初步设计阶段可按VanderPut公式或Selberg公式计算平板颤振临界风速，再照下表给出的折减系数进行修正 关于振型的选取在二维颤振计算中，正确的选取竖弯模态和扭转模态十分重要。通常桥梁的弯扭耦合颤振总是以第一对称竖弯模态与第一对称扭转模态的组合、或者第一反对称竖弯模态和第一反对称模态的组合为控制模态。用于纯扭转颤振的经验公式对于非流线型的桥梁断面，由于A2*曲线的负阻尼倾向，容易发生扭转形式的颤振，颤振的频率接近扭转频率，由结构阻尼和气动负阻尼总和为零的条件为：时的折算速度即为临界值Kc，此时相应的颤振临界风速为无量纲的Kc值称为Theodorson值（Th)，于是： （4）抗风设计中颤振稳定性的检验1.颤振稳定性检验准则：式中颤振检验风速:K为安全系数，取１.２；mf为考虑风速脉动影响及水平相关特性的无量纲修正系数；Vd为设计基准风速； ２.颤振稳定性分级为了快速判断大跨度桥梁的抗风稳定性，可采用近似公式估算桥梁的第一扭转频率，根据桥址处的气象资料估计出颤振的检验风速，然后按照下式计算主梁断面所需要的最小Th-1值：然后根据minTh-1的大小，参照下表可以判断桥梁的抗风稳定性。 肾上腺素能神经系统在调解血压、心律、心力、胃肠运动和支气管平滑肌张力等生理功能上起着重要的作用。它是通过神经末梢释放的去甲肾上腺素激活肾上腺素受体，导致交感兴奋。※拟肾上腺素药（拟交感作用药）：是一类与肾上腺素能神经兴奋有相似作用的药物,也称拟交感作用药。由于其均为胺类,部分药物又有儿茶酚结构部分,故又称拟交感胺或儿茶酚胺。 α受体兴奋症状：血管、子宫和脾等的平滑肌收缩，肠道平滑肌松弛，这一效应主要用于升高血压。β受体兴奋症状：心肌收缩力增强，血管和支气管扩张，肠道活动抑制，这一效应用于强心和平喘。肾上腺素受体药理性质 肾上腺素能受体属于G-蛋白偶联受体鸟苷酸依赖性调节蛋白 第一节拟肾上腺素药一、药理性质二、药物发展三、构效关系四、药物合成 ※肾上腺素、去甲肾上腺素、多巴胺在体内分布广泛,对神经活动起者重要的介导作用,既属神经递质,也属内源性生物胺。三者在体内易受酶作用而失活，时效短暂，经消化道易破坏，只能注射给药（皮下或肌注，不可静脉注射，作用过于强烈） 兴奋心脏，收缩血管，松弛支气管平滑肌，临床用于过敏性休克，支气管哮喘，心脏骤停的抢救，口服无效。※1、肾上腺素α、β激动剂 ※2、去甲肾上腺素（NE）选择性α受体激动剂升压，用于治疗休克时低血压。 3、多巴胺α、β激动剂临床用于抗休克，常用于急性心肌梗死，创伤，肾衰竭等。 一、受体的分类 二、拟肾上腺素药构效关系⑴苯环和胺基相隔2个碳原子升压作用最强；※⑵苯环上的羟基(例如R2、R3上取代羟基)可增强此类药物活性，3，4-二羟基作用最大，间位羟基比对位羟基更重要；⑶β位羟基，右旋体的药效强(即R构型活性>S构型活性)；※⑷侧链α-C上带有甲基，增加β受体激动的作用，支气管扩张，产生外周血管扩张作用；※（5）侧链NH2上引入烷基R1的体积越大，β受体作用增强，α受体作用减小。 三、拟肾上腺素药（同时作用α、β受体药物）1、肾上腺素（副肾碱）兼作用于α受体和β受体，用于治疗事故性心脏停搏和过敏性休克。2、多巴胺：主要作用多巴胺受体和β1受体，强心利尿作用，常用于休克时低血压的治疗。 ※以香草醛为原料合成多巴胺 ※3、盐酸麻黄碱(-)-麻黄碱1R，2S(+）-麻黄碱1S，2R(-）-伪麻黄碱1R，2R（+）-伪麻黄碱1S，2Sα、β激动剂伪麻黄碱，作用比麻黄碱弱，是很多复方感冒药的主要成分。例如康泰克，以（1S，2S）伪麻黄碱代替苯丙醇胺-ppA 双扑伪麻片伪麻黄碱（缓解鼻粘膜充血）扑热息痛扑尔敏（治过敏症状） 四、选择性α受体激动剂1.α1、α2受体激动剂去甲肾上腺素：收缩血管和升压作用较肾上腺素强2.α1受体激动剂苯福林（新福林、新交感酚）和甲氧明：选择性作用于α1受体，具有收缩血管，升高血压的作用 3.α2受体激动剂※甲基多巴：是左旋多巴的类似物，临床上用于抗震颤麻痹和治疗肝昏迷，口服效果好降压：在体内酶作用下生成假递质α-甲基去甲肾上腺素，从而具有抗高血压作用。※盐酸可乐定：α2受体激动剂，良好的中枢性降压药，还可用于阿片成瘾患者的戒毒治疗利美尼定：也是α2受体激动剂，降压效果与可乐定相似，对α2受体不及可乐定 五、选择性β受体激动剂（抗心衰）1.Β1、β2受体激动剂异丙肾上腺素：强心、有正性肌力和松弛气管平滑肌的作用2.Β1受体激动剂（强心）多巴酚丁胺：可增加心肌收缩力和心搏量，而不影响动脉压和心率普瑞特罗：适用于急慢性心力衰竭患者的治疗，是洋地黄的主要替换剂3.β2受体激动剂异克舒令和布酚宁：显示β2受体激动活性，临床用于治疗末梢动脉硬化症 ※沙丁胺醇β2受体的特异激动剂，临床上用于治疗喘息型支气管炎、支气管哮喘、肺气肿患者的支气管痉挛等特步他林、马布特罗、沙美特罗、福莫特罗克伦特罗：瘦肉精（加速脂肪分解，影响心脏、诱发肿瘤） 第二节抗肾上腺素药药理作用一、α抗肾上腺素药二、β抗肾上腺素药抗肾上腺素药：是一类能与肾上腺素能受体结合，无内在活性或极少有内在活性，不产生或较少产生拟肾上腺素作用，却能阻断肾上腺素能神经递质或外源性拟肾上腺素药与受体作用的药物。 按照α受体亚型分类1、非选择性α受体阻断剂2、α1受体阻断剂3、α2受体阻断剂一、α受体阻断药 （1）妥拉唑啉酚妥拉明（短效)缺点：抗α1、α2选择性差1、非选择性α受体阻断剂同时阻断α1、α2受体，引起心率及心肌收缩力增加 （2）酚苄明(长效)用于治疗心源性休克，雷氏综合症，手足发绀及冻疮后遗症，毒性和副作用较大。 2、选择性α1受体阻断剂α1受体阻断剂，降低外周血管阻力，血压下降，而不阻止α2受体，较少引起心动过速。（老年降压药） （1）盐酸哌唑嗪选择性阻断α1而对α2影响小，副作用小（2）吲哚拉明 ※作用机理：β受体阻断药能对抗肾上腺素兴奋心脏的作用，降低自动性、延长有效不应期，降低传导性与兴奋性，故可减慢心率，减弱心肌收缩力，降低心肌耗氧量。主要用于治疗心律失常、心绞痛、高血压、心肌梗死等血管疾病，也用于治疗甲亢、肥厚型心肌病、偏头痛、青光眼等二、β受体阻断药'