考虑非准定常效应钢桥塔驰振计算方法的研究 (2009年)

钢桥塔驰振研究是桥梁工程领域内的重要课题，尤其对于大型钢制桥塔而言，其风振特性与混凝土桥塔存在较大差异。钢桥塔主要应用于斜拉桥和悬索桥中，如明石海峡大桥和多多罗桥等。相较于混凝土桥塔，钢桥塔具有更高的结构强度、较低的自重和基础造价，施工周期短，耐久性和抗震性能良好，同时还具备可持续利用和环保的优点。因此，钢桥塔的应用正在成为未来大型桥梁建设的发展趋势。 风对桥梁的作用是显著的，可分为静力效应和动力效应。动力效应中，涡激共振、抖振属于限幅振动；颤振、驰振则属于发散振动。驰振现象主要发生在阻尼较小且截面非对称的高柔桥塔结构中，例如"D"形截面或矩形切角截面的钢桥塔结构。当风速达到临界值时，由于空气动力负阻尼分量的作用，桥塔振动会逐渐增大，导致发散性失稳破坏。 传统的驰振计算方法主要依据DenHartog的准定常理论，但该理论在计算时忽略了绕物体流动的详细局部变化，因而存在一定的局限性。为了解决这一问题，有必要在传统的准定常理论基础上，考虑非准定常效应以进行驰振响应的计算。 DenHartog在20世纪30年代提出，驰振的发生是由于在临界平均风速下，阻尼效应使拉索从气流中不断吸收能量，进而导致振幅增大和气动弹性的失稳。在后续的研究中，人们发现钢桥塔也存在着驰振现象，但传统的DenHartog准定常理论在某些情况下与实际差异较大，特别是在计算高柔结构时。因此，研究者提出了考虑非准定常效应的计算方法。 目前，国内外对于钢桥塔风振的研究相对较少。为了更准确地描述钢桥塔风振特性，需要深入分析其风动力学特点，并在此基础上发展和完善非准定常效应的驰振计算方法。风动力学研究主要关注如何通过风速、桥塔结构参数等因素来计算风对桥塔的作用力。在计算风压时，需要考虑到桥塔表面风压的分布，从而得到顺风向的阻力、横风向的升力以及扭矩。在动态分析中，需要考虑风速变化对于阻力系数和升力系数的影响。 对于横风向驰振的研究，需要将风流过桥塔断面时产生的风压进行积分，以确定作用在桥塔上的力。这些力包括顺风向的阻力、横风向的升力以及扭矩。研究者通过测量阻力系数和升力系数的变化，并将这些系数与风速角度α关联起来，可以建立运动方程来求解桥塔的动态响应。 简而言之，钢桥塔风振研究的核心在于准确计算风引起的桥塔振动。考虑到非准定常效应的计算方法能够更好地模拟实际风对钢桥塔的作用，从而提高驰振计算的准确性，对于大型钢制桥塔的设计与施工具有重要的指导意义。