基于改进尾流振子模型的超长拉索涡激振动特性数值研究

为了研究大跨度斜拉桥超长拉索在不同流场特性下的高阶多模态涡激振动问题，以牛顿定律为基础，建立了考虑张力变化以及垂度效应的拉索结构振子方程，引入改进的Van Der Pol式尾流振子模型，以加速度耦合两非线性振子，提出了一种简便的拉索涡激振动流固耦合预报模型；采用二阶中心差分法，对两振子方程在空间域和时间域进行离散迭代求解，编制了拉索涡激振动的MATLAB计算程序，并验证了其可靠性。该方法为研究拉索涡激振动提供了一种新思路，可解决风洞试验和数值软件（CFD）不便模拟大长细比拉索结构的问题。基于提出的预报模型，以1根330 m超长拉索为研究对象，分析了拉索多模态涡激振动特性，探讨了不同流场特性对拉索涡激振动的影响。研究结果表明：均匀流作用下，拉索发生涡激锁定现象，以单一模态发生振动，随着风速的增加，拉索涡激锁定区间增大而最大振幅不发生改变；剪切流作用下，拉索发生多模态涡激振动，位移响应呈现"拍"的特点，振动频率分布在Strouhal涡脱频率范围内，存在2个或3个主导频率，主导频率全程参与振动，非主导频率间歇参与振动；拉索多模态涡激振动位移响应表现为行波-驻波并存的状态，随着风剖面指数的增加，涡激振动行波效应显著。     

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。     

斜拉桥索梁耦合振动研究

研究了斜拉桥发生索梁耦合共振的机理与条件,充分考虑了拉索振动的几何非线性、垂度与桥面刚度的影响,建立了索梁耦合振动的数值计算模型.计算结果表明,拉索发生大幅振动与斜拉桥主梁的刚度以及拉索本身的振动特性有关,拉索可能在主梁振动的作用下发生1∶1的主共振或2∶1的主参数共振.根据计算结果讨论了这两种共振的性质,提出了抑制索梁耦合共振的方法.     

斜拉桥索-塔-梁耦合参数振动

综合考虑拉索的垂度、倾角、几何非线性,建立了斜拉索-塔-主梁耦合振动模型,推导出三自由度非线性参数1振动微分方程组。以国内某桥为工程背景,分析参数振动可能性,研究参数振动特性,分析了倾角、初始扰动、阻尼对索振动效应的影响。     

斜拉桥索—塔—梁耦合参数振动

综合考虑拉索的垂度、倾角、几何非线性,建立了斜拉索-塔-主梁耦合振动模型,推导出三自由度非线性参数1振动微分方程组。以国内某桥为工程背景,分析参数振动可能性,研究参数振动特性,分析了倾角、初始扰动、阻尼对索振动效应的影响。     

风-列车-桥系统耦合振动研究综述

风-列车-桥（简称风-车-桥）系统耦合振动涉及多学科交叉,是双重随机激励作用下的时变耦合系统,是研究列车抗风安全性的主要方法之一。从提出风-车-桥的概念以来,国内外学者对此进行了大量的研究,取得了积极的进展,为进一步促进风-车-桥系统耦合振动的研究,从车-桥系统风荷载、车-桥耦合模型、风-车-桥耦合模型三部分出发,对风-车-桥系统研究的一些重要成果进行回顾和介绍。其中,车-桥系统风荷载部分包含静风力、抖振力（脉动风模拟和气动导纳）、风载突变效应3个方面;静风力方面,回顾车-桥静动态系统气动特性的风洞试验方法及数值模拟方法,讨论不同试验和分析方法的优缺点及其适用的情况;抖振力方面,介绍脉动风模拟方法以及气动导纳的计算方法;风载突变方面,介绍横风作用下列车过桥塔及双车交会时风洞试验和数值模拟方法。车-桥耦合振动模型部分,回顾车辆分析模型和车-桥系统的求解方法。风-车-桥耦合模型部分包含分析模型、耦合机理和实际应用3个方面,回顾风-车-桥系统的耦合机理,结合实例介绍风-车-桥系统耦合振动方法的实际应用。最后,结合当前风-车-桥系统研究的不足之处,提出车-桥动态系统气动特性的风洞试验技术、风-车-桥系统的精细化分析模型、现场实测、可靠度及其评价准则是其今后的主要研究方向。     

斜独塔混合梁斜拉桥风-汽车-桥梁系统耦合振动研究

针对公路汽车三维绕流特性显著的特点,按照准定常理论推导了适用于公路汽车的脉动风荷载表达式。将自然风、公路汽车、桥梁作为一个统一的相互作用系统,采用风-汽车-桥梁系统耦合振动分析模型,以某斜独塔混合梁斜拉桥为工程背景,研究侧风作用下汽车-桥梁耦合振动特性,并讨论了汽车-桥梁振动的影响因素。研究结果表明：由于桥梁和汽车的气动特性差异,桥梁的竖向抖振现象较横向抖振现象突出,而汽车的横向振动现象较竖向振动更明显。     

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。     

考虑温度效应的斜拉桥塔-索-主梁耦合振动模型及影响分析

温度变化不仅会改变斜拉索的索力、频率以及边界条件,引起振动过程中的分叉现象,还会破坏振动控制的鲁棒性,掩盖结构损伤识别参数以及状态评估。为了研究非均匀温度场中索梁组合结构的非线性振动行为机理。将温度效应作为索和主梁振动的边界条件,引入高精度抛物线形,考虑拉索几何非线性、倾角、索的自重弦向分力影响,推导了热力学平衡状态下的索梁组合结构耦合振动微分方程,构建了考虑温度效应的塔-索-主梁连续耦合非线性振动精细化模型。编制程序研究了温度变化对拉索和主梁的固有频率影响,以及索梁温差对桥塔-拉索-主梁连续结构参数振动的影响。结果表明:温度变化对拉索和主梁固有频率影响不同,在塔-索-主梁频率比为2∶1∶1的主共振模式下,温度变化量每增加5℃,拉索固有频率下降0. 17%-0. 2%,主梁固有频率下降4%-7%;索梁温差的拉索振动具有明显"拍"特征,且索和主梁之间存在能量传递,随着正索梁温差逐渐增大,拉索最大振动幅值减小,但振动频率逐渐增大;随着负索梁温差的增大,拉索最大响应振幅增大,振动频率逐渐减小;考虑索梁温差和端部联合激励下的拉索振幅比单一端部激励振幅要小,拍频要大,在2∶1∶1主共振和2∶1∶2的参数共振模式下,拉索振动有明显的"拍"特征,而主梁振动相对平稳。     

斜拉索-阻尼器系统空间布置减振方法

针对目前长索的振动控制及斜拉索的面外振动控制减振效果不理想的现状,提出一种新的减振方法——斜拉索-阻尼器系统空间布置减振方法。该方法为每3根斜拉索1组,按三角形空间布置,两两连接阻尼器,阻尼器安装方便,可对每一根斜拉索实现任意方向上的振动控制。为验证其减振效果采用零阶优化法对斜拉索参数进行设计,并建立斜拉索-阻尼器体系算例模型,与原索模型、无索间连接的三索模型进行对比。结果表明,采用斜拉索-阻尼器系统的三索空间布置,斜拉索的振动幅度、振动频率均受到显著抑制,对斜拉索面内外振动可给予有效控制。     

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。     

洞庭湖大桥拉索风雨振控制新技术

随着大跨径斜拉桥的不断建设，斜拉索的减振特别是风雨振的控制已成为该类桥梁急需解决的关键问题之一。岳阳洞庭湖大桥建成通车后已发生多次强烈风雨振，在对应用磁流变智能阻尼减振技术控制风雨振研究的基础上，全面评估了该技术控制拉索振动的实际效果，证明该阻尼器是拉索风雨振控制的有效手段。岳阳洞庭湖大桥全桥安装磁流变阴尼器后，加速度响应降低为原加速度的1/20-1/30。     

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     

1400 m斜拉桥方案颤振临界状态拍振现象分析

1400 m 斜拉桥方案全桥气弹模型试验过程中,其在颤振临界状态下出现了拍振现象,这种振动在其他跨径较小桥梁中较少发生。为探究其发生机制,证明其存在的合理性,首先对气弹模型动力特性展开分析,结果显示其模态分布更为密集,每两阶模态之间的频率间隔更为狭小,这些都增加了拍振发生的可能性。进一步的理论分析则表明,与苏通大桥相比,1400 m 斜拉桥方案有着更为复杂的结构动力特性,在颤振临界频率附近存在着能与之发生牵连运动的振型参与进来,从而最终发生了拍振。     

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。     

Nonlinear analysis of wind-induced vibration of high-speed railway catenary and its influence on pantograph–catenary interaction

The wind-induced vibration of the high-speed catenary and the dynamic behaviour of the pantograph–catenary under stochastic wind field are firstly analysed. The catenary model is established based on nonlinear cable and truss elements, which can fully describe the nonlinearity of each wire and the initial configuration. The model of the aerodynamic forces acting on the messenger/contact wire is deduced by considering the effect of the vertical and horizontal fluctuating winds. The vertical and horizontal fluctuating winds are simulated by employing the Davenport and Panofsky spectrums, respectively. The aerodynamic coefficients of the contact/messenger wire are calculated through computational fluid dynamics. The wind-induced vibration response of catenary is analysed with different wind speeds and angles. Its frequency-domain characteristics are discussed using Auto Regression model. Finally, a pantograph model is introduced and the contact force of the pantograph–catenary under stochastic wind is studied. The results show that both the wind speed and the attack angle exert a significant effect on the wind-induced vibration. The existence of the groove on the contact wire cross-section leads to a significant change of the aerodynamic coefficient, which affects largely the aerodynamic forces applied on the catenary wires, as well as the vibration response. The vibration frequency with high spectral power mainly concentrates on the predominant frequency of the fluctuating wind and the natural frequency of catenary. The increase in the wind speed results in a significant deterioration of the current collection. The numerical example shows that a relatively stable current collection can be ensured when the wind flows at the relatively horizontal direction.     

汽车发动机曲轴纵向振动的研究

本文研究了汽车发动机曲轴的纵向振动的计算方法和振动特性，首先分析了曲轴产生纵向振动的两种等效激励源－弯曲－纵向耦合力矢和扭转－纵向耦合力矢，建立了简化模型和在两种不同性质的力作用下的统一运动方程，并分析了求解方法和步凑，用新设计的扭／弯／纵振动测量仪实测了曲轴自由端的纵向振幅，与计算结果相当吻合，说明本文提出的分析汽车发动机轴系纵向振动的方法合理可行。     

提高斜拉索索力估算精度的一种新方法

根据斜拉桥拉索振动的特点,建立了考虑垂度及斜度影响的振动微分方程,并利用奇异摄动解法进行求解。不仅考虑了索的刚度,而且将索的边界条件假定为简支和固支耦合的情况,在此基础上提出了频率法的索力计算实用公式。分析比较了目前国内外的其他主要计算公式,结果表明该公式具有高精度和计算方便的特点。将该实用计算公式用于南京长江三桥施工控制中,通过对实际斜拉索测试得到的各阶频率进行计算,并与设计索力和压力传感器得到的索力进行对比分析。计算表明该公式能够满足实际工程的需要,可广泛适用于频率法测估各种索类结构的内力。