橋梁顫振和抖振的數值模擬

2021-02-12 技術鄰CAE學院

來源：同濟風工程

作者：趙林

顫振是由於結構在擾流氣流所形成的振動系統中，風速達到某一臨界值時，系統的阻尼在相互反饋過程中由正轉負而形成發散性的扭轉或彎扭耦合振動。在線性系統中，「顫振臨界點」就是結構在一定風速下達到了「零阻尼」的狀態而產生了平穩的等幅振動，一旦風速增加或阻尼減小，該系統就會轉變為發散的振動從而導致結構的破壞。

在一些橋梁顫振特性研究的風洞試驗中並沒有明顯的「顫振臨界點」，而是發生「軟」顫振現象，即隨著風速增加橋梁振幅也增加，不同於「硬」顫振突然發散而是保持穩態的振動。

視頻所展示的飛燕式拱橋是中承式拱橋的一種，中承式拱橋因其合理的受力形式而得到了廣泛的應用，是能夠做到較大跨度的一種橋型。理論分析表明，中承式拱橋的極限跨度可以達到1000m左右。隨著跨度的增大，拱橋橫向穩定性問題也顯得越來越突出。在大型拱橋當中，橫向穩定性幾乎絕對控制著橋梁運營及施工的安全。隨著跨度增大，拱橋呈現出結構輕柔、低頻和低阻尼的力學特徵，也導致橋梁對風的作用更加敏感，對風的反應更加複雜，在風振作用下很容易發生靜風失穩、抖振和渦激振動等風致響應。與大跨度的懸索橋、斜拉橋等橋型不同，大跨度中承式拱橋屬於三維受力結構體系，在風致振動時需要考慮主梁與主拱的協同作用。但相比於大跨度的懸索橋和斜拉橋等橋型，大跨度中承式拱橋的風振響應計算理論研究至今尚不成熟，拱橋結構的風荷載計算以及相應的模型風洞試驗理論基本上還是沿用已有的懸索橋和斜拉橋的研究經驗和理論。

（視頻來源：同濟風向標）

懸索橋是最古老的橋型之一，有著悠久的歷史，懸索橋的跨越能力是所有橋型中最大的，目前1000m以上跨徑的橋梁幾乎全是懸索橋。懸索橋具有結構輕、跨度大、剛度小和阻尼小等特點，對風十分敏感。在Tacoma橋由於風致振動毀壞以後，很多科學家在調查世界各地的橋梁的毀壞的過程中發現，1818年以後很多懸索橋是毀於風振中。從此，懸索橋的風致振動問題越來越被人們所重視。從橋梁抗風基礎理論（橋梁顫振、抖振）的建立到現代橋梁抗風理論的發展，包括橋梁顫振理論、抖振理論的發展，計算流體力學 (CFD) 技術的興起和基於可靠度的抗風設計方法的發展。橋梁抗風理論經過國內外幾代科學家和學者們的研究和發展，已經到達一定的理論高度。

視頻展示了某懸索橋風致振動的結構有限元數值模擬結果，但目前數值模擬技術還不是很成熟，雖然橋梁斷面的氣動選型已經開始用數值模擬代替風洞實驗了，但由於鈍體空氣動力學在數學建模上還存在理論上的困難，21世紀最初20年，還是以風洞試驗為主，以數值模擬為輔。

作者：華旭剛 陳政清

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