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1 1 1 清华大学研究生课程灾害学 风风风风 灾灾灾灾 陆新征 清华大学土木工程系 2006 2 清华大学研究生课程灾害学 横风向风振 细长柔性结构,横风向可能产生很大的 动力效应 常见横风向振动 涡振 驰振 颤振 抖振 3 清华大学研究生课程灾害学 作用在结构物表面的风力 Bvp DD 2 2 1 ραμα Bvp LL 2 2 1 ραμα 阻力系数 升力系数 22 2 1 BvM M ρμ 力矩系数 4 清华大学研究生课程灾害学 漩涡脱落和涡激共振 5 清华大学研究生课程灾害学 尾流脱落形成过程 6 清华大学研究生课程灾害学 尾流振动 2 2 7 清华大学研究生课程灾害学 涡激共振 -0.040 -0.030 -0.020 -0.010 0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0246810 Times Displacement m UX UY 8 清华大学研究生课程灾害学 Reynold 数和 Strouhal数 Reynold 数 Strouhal 数 ns漩涡脱落频率 Dv69000Re v Dn S s 9 清华大学研究生课程灾害学 实测Strouhal 数 亚临界范围 Re31023105 风速较小,可以忽略; 超临界范围 Re31053.5106 随机脱落,不会引起共振 跨临界范围 Re3.5106 应考虑涡振 10 清华大学研究生课程灾害学 常用截面的Strouhal 数 11 清华大学研究生课程灾害学 漩涡脱落引起共振 当漩涡脱落频率和结构振动频率相近 时,就会引起结构的共振 已知结构的尺寸,频率,以及结构外形 对应的Strouhal数,就可以得到共振频率 对应的临界风速 S Dn v j cr 12 清华大学研究生课程灾害学 频率锁定 风洞试验发现,在结构共振后,有一个区域的 漩涡脱落频率为常数,称为频率锁定Lock-in 区域 自临界风速vcr到1.3vcr1.4vcr,均为共振区 3 3 13 清华大学研究生课程灾害学 共振时等效作用在结构上的风载 等效位移响应 等效力 d2 d 2 1 0 2 j 2 1 z zzzm zzDv zmzp j H j H H jLcr Ldj ϕ ϕζ ϕμρ ∫ ∫ d2 d 2 1 0 22 j 2 1 z zzzm zzDv zy jH jj H H jLcr j ϕ ϕωζ ϕμρ ∫ ∫ 14 清华大学研究生课程灾害学 对于圆形规则结构 取升力系数为μL0.25 j 2 0 2 12800 d d 1 ζ ϕ ϕ ϕ Bzv zz zz zp jcr H j H H j Ldj ∫ ∫ d2 d 2 1 0 2 j 2 1 z zzzm zzDv zmzp j H j H H jLcr Ldj ϕ ϕζ ϕμρ ∫ ∫ 15 清华大学研究生课程灾害学 涡激共振计算方法 计算临界速度 vcr 判断结构临界高度 H1 得到计算系数λj α/1 1 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ H cr v v HH ∫ ∫ H j H H j j dzz dzz 0 2 1 ϕ ϕ λ S Dn v j cr 16 清华大学研究生课程灾害学 计算系数λj ∫ ∫ H j H H j j dzz dzz 0 2 1 ϕ ϕ λ 17 清华大学研究生课程灾害学 等效风荷载 ζ阻尼 ϕ振型 j zjcrj czj v w ζ ϕλ 12800 2 18 清华大学研究生课程灾害学 横风向等效风荷载计算 正方形高层建筑,高180m,宽40m,第 一周期4s,阻尼比0.02,C类场地,基本 风压0.4kN/m2 4 4 19 清华大学研究生课程灾害学 驰振 结构在横风向发生振动时,如果结构受 到的风压不对称,在气流作用下,结构 会不断吸收能量直至破坏。 20 清华大学研究生课程灾害学 作用在结构上的横向风力 Bvp rDD 2 2 1 ραμα Bvp rLL 2 2 1 ραμα αμρααααα DLLDz Bvppp 2 2 1 cossin−− αcos r vv αααμαμαμsec]tan[ DLDL − 21 清华大学研究生课程灾害学 负阻尼判据 α z pkzzczm αμρα DLz Bvp 2 2 1 Taylor展开 0 2 1 DL vBccμρ 如果阻尼小 于零,则结构 的振动将发散 22 清华大学研究生课程灾害学 23 清华大学研究生课程灾害学 例 题 某钢梁如图所示,求驰振临界 风速 结构自振频率为4.49Hz 结构单位长度质量1.67810-6 空气密度为0.12510-10 钢的阻尼比为0.01 μDL-2.7 c20.0123.144.49 1.67810-60.946810-6 vc-20.946810-6/0.12510-1020.3-2.7 27.64m/s 24 清华大学研究生课程灾害学 说 明 圆形结构不发生驰振 电线、索缆上经常因为雨水或冰凌而破 坏圆形截面,因此需要考虑驰振 细长的六角形或矩形结构容易发生驰 振,应在角部做倒角处理以提高驰振稳 定性 5 5 25 清华大学研究生课程灾害学 颤振和抖振 扭转和其他振动形式耦联的发散型振动 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。 脉动成分引起结构不规则有限幅度振动 cr VV 26 清华大学研究生课程灾害学 结构风力作用下位移限值
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