基于风洞试验的变截面圆灯柱涡激振动与影响因素研究

为了研究某实桥变截面圆灯柱发生的风致二阶振动现象，采用多段薄壁空心铝管焊接并覆盖泡沫管和柔性PVC薄膜的方法，设计制作了满足相似比要求的变截面灯柱气弹模型，解决了低质量比、低阻尼比变截面细长结构风洞试验不便模拟的问题。通过风洞试验，采用非接触式视频测量位移系统和眼镜蛇探针测试了不同风速下灯柱位移响应和尾流风速，重现了灯柱的二阶振动现象，通过分析确定其为涡激振动；采用傅里叶变换和小波分析研究了变截面灯柱的涡脱频率和涡激振动时频特性；开展了不同焊缝位置对灯柱涡激振动影响研究，分析了3种不同螺旋线布置方式对灯柱涡激振动的抑制效果。研究结果表明：灯柱在涡激振动锁定区内发生单一模态的涡激振动，运动轨迹为清晰的椭圆形，而在锁定区外发生多模态振动；变截面灯柱中部存在一定长度的控制区域，当中部控制区域涡脱频率接近结构固有频率时即发生涡激振动锁定现象，当中部控制区域脱离锁定频率，此时圆柱的涡激振动响应迅速降低；灯柱涡激振动响应受焊缝的位置影响显著，不同的焊缝位置可能抑制或者增强涡激振动；8 cm螺距双螺旋线能够有效控制灯柱模型涡激振动响应。     

流线型钢箱梁涡激振动机理与气动控制措施

以某主跨390 m的独塔流线型钢箱梁斜拉桥为工程依托，采用风洞试验与计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）相结合的方法对流线型钢箱梁涡激振动机理与气动控制措施进行研究。首先，采用几何缩尺比为1∶30的主梁节段模型进行主梁涡振性能与气动控制措施优化研究；其次，采用CFD方法对主梁涡振响应进行流固耦合计算，将Newmark-β算法嵌入ANSYS Fluent用户自定义函数（User Defined Functions，UDFs）实现主梁结构振动响应求解，同时结合动网格技术实现主梁断面流固耦合分析；并根据判断条件来检索箱梁壁面上的网格单元，以获得主梁断面振动过程中的表面压力，然后结合主梁结构振动响应、表面压力以及流场特征等对主梁涡激振动机理进行分析。结果表明：该桥主梁原设计方案存在涡激共振现象，将梁底检修车轨道内移120 cm可有效抑制主梁涡振响应；主梁涡激振动响应的数值模拟结果与风洞试验结果吻合较好；检修车轨道内移120 cm后主要改变了箱梁下表面平均压力系数分布特性，且箱梁表面各测点脉动压力卓越频率不一致，有效减小了主梁涡激振动响应；流线型箱梁靠近迎风侧的“被动区域”对结构涡振响应贡献较小，背风侧“驱动区域”发生周期性旋涡脱落是影响流线型箱梁涡振的主要因素。     

CFRP拉索的非线性参数振动特性

建立了CFRP拉索的非线性参数振动模型，该模型考虑了拉索同时受梁端和塔端激励的状况，并考虑了索的垂度、大位移等引起的几何非线性；利用该模型，对相同条件下的CFRP拉索和钢拉索，采用数值方法分析了频率匹配比、拉索静拉力、激励幅值以及阻尼等因素对拉索参数振动特性的影响。研究结果表明，拉索振动的拍频、幅值与上述因素均有关，且CFRP拉索在参数振动发生几率、参数振动响应等方面优于钢拉索。     

结构—尾流振子耦合模型参数识别及桥梁涡激振动预测

为准确预测桥梁涡激振动特征,基于结构-尾流振子耦合模型涡激振动预测方法,分析其动力方程及近似解,针对目前结构-尾流振子耦合模型中较难确定的模型参数(质量参数M、流场“stall”效应参数γ、结构对尾流作用的耦合项参数A和范德珀尔参数ε),提出了基于涡激振动风速~振幅曲线的模型参数识别方法。开展某主梁节段模型风洞试验,依据其实测涡振曲线,采用该方法识别模型参数,并预测不同阻尼比的桥梁涡激振动特征。结果表明:近似解精度与ε相关,ε越小,精度越高;ε越小,提出的模型参数识别方法越能准确识别模型参数;基于风洞试验实测涡激振动风速~振幅曲线识别的结构-尾流振子耦合模型可有效地预测桥梁涡激振动特征。     

多塔斜拉桥加劲索涡激振动实测与时域解析模态分解

为研究多塔斜拉桥中塔加劲索涡激振动时域和频域特性，对多根加劲索开展了振动加速度测量和风速、风向观测，研究了加劲索振幅与风速和风向的关系，分析了加速度时程的时域和频域特征。采用解析模态分解法对加劲索涡激振动加速度时程进行了分解，分析了所得分量的时域和频谱特征。研究发现，在无雨和较低风速条件下，同侧并列加劲索仅迎风侧发生明显涡激振动，其峰值振动是以频率为6.25 Hz的第28阶模态主要参与为特征，为高阶多模态涡激振动，明显发振风速约为4~5 m·s^-1，风向接近垂直桥轴线，其面内振动明显大于面外。1^#加劲索面内涡激振动时程分解得到的3个相邻高阶频率时程分量显示，第28阶模态振动加速度随时间的变化，主导了加劲索振动加速度幅值的增大和减小。同时认为，解析模态分解法不仅能较好地分离含有多个密集频率分量的时域信号，且分解得到的分量不改变原信号分量的频率特征，分解分量再合成的信号与原信号时频特征完全一致。因而可采用解析模态分解法分解具有多个密集频率分量的柔性结构响应，能有助于工程结构风致响应的模态参数识别。     

圆柱结构涡激共振耦合效应及其抗风设计参数

为了解决亚临界区圆形断面细长结构涡激共振抗风设计参数取值不明确的问题,针对土木工程领域小直径圆形细长结构在亚临界区的涡激共振现象,对其涡激共振耦合效应进行了研究,获得其抗风设计的主要气动力参数。采用弹性悬挂节断模型风洞试验,模型两侧采用斜置上下不等刚度的弹簧提供三自由度的振动模型,试验风速对应的雷诺数区位于亚临界雷诺数区,分别测试风速增大和减小2种状态下模型的涡激共振,试验采用激光位移计和压力扫描阀同步测试模型振动位移和表面风压,通过分析位移和风压之间的关系,揭示涡激共振发生的耦合状态,并基于涡激共振抗风设计的要求,给出涡激共振锁定区间、气动力系数等抗风设计参数。结果表明：风速增大和减小2种状态下,涡激共振的耦合状态不同,风速增大过程中锁定区间更长;在锁定区间内存在强耦合和弱耦合2种机理的耦合状态,强耦合状态下的升力系数标准差和平均阻力系数值更大,旋涡脱落频率更强,气动力和流场的波动也更强;基于此,建议在对亚临界区的圆形断面结构进行涡激共振设计时,锁定区间为1.0~1.3倍起振风速,其中1.0~1.1倍起振风速范围内按照强耦合状态设计并考虑由耦合效应引起的气动力增强,1.1~1.3倍起振风速范围内按照弱耦合状态设计。     

基于TMD的拉索振动控制研究

对基于安装位置不受局限的TMD阻尼器的拉索多模态耦合振动控制进行了研究,理论推导建立了张紧索-多TMD阻尼器模型、基于张紧索模型的TMD阻尼器参数优化,并进行了相关的数值计算,结果表明多个TMD阻尼器能有效地控制拉索的多模态耦合振动.     

考虑弯矩刚度影响下两拉索体系自振特性分析

为探究拉索抗弯刚度以及相邻索之间的干扰因素对斜拉索体系自振特性的影响，以两拉索体系为研究背景，构建了可同时考虑拉索抗弯刚度、索力以及相邻索耦合效应的双梁力学模型。该模型上梁与下梁分别用来模拟拉索，中间层用来考虑拉索间的干扰因素，拉索的两端分别采用竖向和旋转弹簧模拟边界条件。基于双梁力学模型，首先给出了两拉索体系自由振动频率与模态函数的理论解；然后针对高阶超越方程无法直接求解的难题，给出了相应的高效的迭代算法；最后通过与有限元结果的对比验证了所提方法的正确性，并就可能影响拉索体系自振特性的几种典型外部因素进行了参数化分析。结果表明：1)所提方法具有较高的计算精度与效率，理论推导正确可靠；2)轴力越大拉索体系的自振频率越大，但轴力对体系的振动模态无影响；3)双梁模型中间支撑的刚度对缆索体系的振动频率与模态有较大的影响，尤其对体系的高阶振动更明显；4)边界条件对体系的自振频率与模态函数影响明显。提出的双梁模型可较好地考虑两拉索间耦合特性，可为求解同类拉索体系的动力响应提供参考。     

悬链线型斜拉索风雨激振模型及特性分析

斜拉索长度随斜拉桥跨度增大而增长，以抛物线型近似代替实际状态下拉索线型的误差也越来越大。考虑水线与拉索表面之间存在库仑阻尼力和黏滞线性阻尼力，建立了基于悬链线型考虑面内-外耦合振动的运动水线连续弹性拉索风雨激振理论模型，并推导出以各阶模态为坐标的拉索振动微分方程。以不同参数拉索为例，对拉索与水线的耦合运动微分方程组进行数值求解，并将计算结果与基于抛物线型的拉索风雨激振理论模型进行了比较。结果表明：在某些情况下，拉索采用悬链线型与抛物线型的计算结果在拉索振幅、参振模态、空间振动形态、振动频率、拉索与水线相位差以及水线的振动频率上有很大差异；垂度影响系数对拉索低阶模态有较大影响，抛物线型垂度影响系数大约是悬链线型的一半；采用悬链线型建立的拉索风雨激振理论模型得到的拉索各阶模态的自振频率比采用抛物线型模型的计算结果要高，模态阶数越低，自振频率差距越明显。     

斜拉桥斜拉索二维涡激振动的数值模拟研究

采用基于RANS方法的SST湍流模型对斜拉桥斜拉索二维（2D）模型涡致振动进行了数值模拟。2D模型建立和网格划分通过专业前处理软件ICEM—CFD来实现。保持2D模型的频率不变,通过改变风速的方法来研究2D模型涡致振动的特性。研究了2D模型涡致振动的幅值,阻力系数以及锁定区域随约减阻尼变化的规律。研究结果表明斜拉索2D模型发生涡致振动时其幅值随着约减阻尼减小而增大,直至稳定到一个常数,同时通过比较发现数值模拟得到的2D模型幅值与试验结果比较接近;锁定区域随约减风速减小而增大;同样2D模型的平均阻力系数在锁定区域随着约减风速减小而增大。     

端部激励下斜拉索三维振动统一方程的精细推导

为了研究斜拉索在端部激励下的振动机理,考虑了斜拉索垂度、刚度、非线性、空间三维、端部位移等诸多因素,经过一系列精细推导,利用Galerkin多模态截断方法,建立了单自由度斜拉索三维振动的统一方程,并提出了斜拉索三维振动频率分量由各自方向上的固有频率和端部位移激励扰动项组成。斜拉索在考虑三维端部位移理想激励时,采用4~5阶龙格-库塔法编写了端部位移激励与斜拉索固有频率比值以1：1和2：1进行振动的MATLAB数值求解程序。研究表明：当频率比值以1：1振动时,位移响应规律性的拍频消失,转变为拍频叠合的效果,且其振动幅值在时间域上表现出高低起伏的趋势,其位移响应峰值、谷值均呈现出不断增大趋势。此外,斜拉索在端部很小的位移激励下便可产生较大的振动。当频率比值以2：1振动时,其位移响应表现出与一阶强迫共振同样的拍频特征。参数振动位移响应振幅正负值同样出现了偏差值,此条件下,微小的端部位移也能够激起较大的参数振动响应,因此参数振动同强迫振动一样不容忽视。斜拉索在端部位移作用下不仅有频率比为1：1的共振和2：1的参数共振,还发生了1：2的共振,即斜拉索在端部位移激励下具有3个主共振区,分别在频率比值为0.5,1,2周围,1：2共振产生的振幅明显小于1：1共振和2：1参数共振。     

预应力锚索锚固效应动态模型试验

为了解既有列车振动荷载对锚索预应力损失、地表沉降及桩体水平位移的影响,以京石高铁石家庄六线隧道明挖深大基坑桩、锚围护结构为工程背景,根据相似关系,试验确定了土体-桩锚系统模型试验材料;针对列车振动荷载特点,开展了基坑开挖完成后连续振动162 d（相似关系）的模型试验,分析了振动频率分别为8.282,13.801,20.704 Hz时锚索预应力的损失规律、地表沉降、桩体水平位移以及锚索预应力随锚固深度变化的特点。试验结果表明：随着振动频率（列车行车速度）的增加,锚索预应力损失率、最终地表沉降值和桩体水平位移均大幅增加; 8.282 Hz频率（行车速度120 km·h^-1） 下振动28 d,锚索预应力平均损失率为2%;13.801 Hz频率 （行车速度200 km·h^-1） 下振动53 d,锚索预应力平均损失率为8%;20.704 Hz频率（行车速度300 km·h^-1）下振动53 d,锚索预应力平均损失率高达23%;锚固段锚索应力沿锚索锚固深度呈喇叭状开口递减趋势,接近锚固段底部时,其应力几乎为0。通过动态模型试验,掌握了列车振动荷载作用下锚索预应力随时间的损失规律,对临近铁路深大基坑锚索设计与施工具有理论指导意义。     

风、列车作用下大跨度斜拉桥索-梁相关振动研究

为了研究大跨度铁路斜拉桥在随机风、列车动力作用下索-梁相关振动导致的拉索振动状态,开发三维空间非线性有限元动力计算程序、列车动力学模型、风场模拟算法,以实际斜拉桥为研究对象,建立全桥三维有限元计算模型进行详细的计算分析。首先,分别使用拉索不分段与分段的全桥模型进行模态计算,讨论拉索局部振动特性与全桥振动特性之间的关系。然后,计算在简谐外激励作用下斜拉桥全桥的非线性振动时程,对比单根拉索在端部位移激励下的非线性振动特性与全桥结构中拉索发生大幅索-梁相关振动之间的差别,依据非线性振动理论,讨论实际斜拉桥中拉索发生索-梁相关振动的共振条件。最后,使用拉索分段的斜拉桥全桥模型,研究在三维空间中,风场动力作用、列车动力作用、风-列车-桥梁耦合动力作用在各个工况下对斜拉桥全桥索-梁相关振动的影响。研究结果表明：对于大跨度铁路斜拉桥,在实际日常运营状态下,风和列车的作用不会使结构进入非线性振动状态;单独的风或列车动力作用不会使拉索达到索-梁相关振动的共振条件;风-列车-桥梁耦合动力作用下拉索振动相对单独的风、列车作用更为明显,但也不会使拉索达到索-梁相关振动的共振条件。     

黏滞惯性质量阻尼器对斜拉索减振效果的数值分析

随着斜拉桥跨度的增大,斜拉索长度也越长,会同时存在发生风雨激振和涡激共振的可能性。风雨激振参与模态主要为低阶,涡激共振参与模态为高阶,这给斜拉索减振阻尼器的设计带来了新的挑战。采用数值方法,研究了黏滞惯性质量阻尼器（Viscous Inertial Mass Damper,VIMD）的斜拉索减振效果。首先,将斜拉索简化为张紧弦,建立了斜拉索-VIMD系统的运动微分方程,采用有限差分方法对方程进行数值求解。然后,以苏通大桥A30号斜拉索为工程背景,研究了各参数对该系统模态阻尼比的影响。最后,研究了阻尼器支架刚度对斜拉索-VIMD系统减振效果的影响,并将数值解与近似解析解进行对比。研究结果表明：在传统的黏滞阻尼器中并联惯性质量单元,可显著提高斜拉索的模态阻尼比,非常有利于减振;斜拉索-VIMD系统各阶模态的量纲为1的阻尼比曲线不重合,这与传统的斜拉索-VD（Viscous Damper）系统不同;斜拉索-VIMD系统的模态阻尼比随支架刚度的减小而急剧减小。     

斜拉索涡激振动的被动自吸吹气流动控制

圆形斜拉索长细比大、阻尼及刚度小，因而其经常发生风致振动，尤其是涡激振动。涡激振动是一种限幅振动，其发生风速较低，因而斜拉索经常发生涡激振动现象，为此提出一种被动自吸吹气流动控制措施来抑制斜拉索涡激振动。通过节段模型气弹试验得到，被动吸吹气控制方法在套环间距适当下使得斜拉索涡激振动区间变窄，甚至可以完全抑制其发生涡激振动。通过分析斜拉索节段模型表面压力分布，得到被动自吸吹气能大幅度降低压力脉动值和脉动风荷载；且模型背风面的平均压力值的平台区也有所提升，表明平均阻力也有所减小。频谱分析表明：此控制方法改变了旋涡脱落模式及脱落强度。最后由尾流速度剖面可得，被动吸吹气流动控制方法缩小了模型尾流区宽度，尾流中的速度脉动也极大降低。折算风速为5.99时，对尾流速度时程做频谱分析可得，吸吹气控制方法能抑制住无控圆柱模型尾流中周期性交替脱落的旋涡。套环控制方法应用于三维柔性索性索模型上，能极大地降低柔性斜拉索的前三阶涡激振动幅值，同时发现套环间距越小，控制效果越强。     

斜拉桥拉索磁流变阻尼器减振技术研究

采用数值仿真和现场试验对磁流变阻尼器的减振性能进行了研究。数值仿真计算评估了磁流变阻尼器安装高度、外部激励、阻尼器输入电压等参数对拉索系统模态阻尼比的影响 ,结果表明磁流变阻尼器具有良好的阻尼可调特性 ,调节阻尼器的输入电压可以获得拉索系统的最佳模态阻尼比 ;现场试验表明 ,安装该阻尼器后 ,拉索系统的模态阻尼比提高 3～ 6倍 ,并存在一优化电压 ,在该电压下模态阻尼比达到最大 ;实际风雨振时的现场观测结果显示 ,磁流变阻尼器具有很好的减振效果 ;拉索磁流变阻尼器减振技术已在岳阳洞庭湖大桥全桥实施 ,解决了该桥的风雨振问题