索结构雨风振非线性动力学行为研究.doc

索结构风雨振的非线性动力学行为研究 何学军 张琪昌 田瑞兰 （天津大学机械工程学院 天津，300072） 摘要：研究带有运动上水线的两个自由度的索结构风雨振模型，利用符号代数语言Mathematica对系统进行数值分析。讨论了密度比、索结构阻尼、风攻角等因素对系统运动的影响。同时得到了索结构和水线的运动相图，结果表明他们的运动均收敛于稳定的极限环。借助计算规范形程序得到了系统的简化的平均方程，进一步验证了系统存在的定常解。 关键词： 非线性 风雨振 索结构 规范形 中图分类号：O322 Nonlinear dynamics of rain-wind-induced vibrations of Cable structure He Xue-jun Zhang Qi-chang Tian Rui-Lan (School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin, 300072, China) Abstract ：Two-degree model of rain-wind-induced vibrations of cable structure with moving upper rivulet was studied. The original system was studied by numerical computation with symbol algebra language Mathematica. The influence of density of air, damping of cable, angle of attack etc was discussed. The phase diagrams of cable and rivulet were achieved. It showed that their moments converged to limit circles. Simpler averaging equation was achieved by virtue of Mathematica program, which showed the existence of stationary solution. Key words ：Nonlinear; rain-wind-induced vibrations; cable structure; normal form 1.引言 由于合金钢索具有承载能力强、易于组装、造型美观、经济高效等其它结构所不具有的优点，因而受到许多工程设计者的青睐，被工程上广泛用做大跨屋顶、悬索桥、斜拉桥、拉线塔等结构的支撑构件。但是，轴向承载索结构自身也存在某些弱点，比如，随着跨度的增大，其结构整体刚度会变得很小，加之其结构阻尼较小，因而该类空间结构对横向载荷十分敏感。对于暴露在自然环境的承载索而言，风载荷是不可忽视的，是引起振动、导致结构不稳定的主要因素之一。在风雨共同作用时，即使在一般风速条件下，索结构也会产生持续的大幅振动。 由于索结构的风雨振涉及到气、液、固三相耦合问题，加上索结构本身所具有的非线性，使索结构风雨振问题的研究变得错综复杂。近年来，国内、外许多学者在这个问题上做了大量工作，但是由于这一问题的复杂性以及研究手段比较单一，目前对于索结构风雨振的产生机理还没有统一的说法，还存在许多问题有待进一步研究探索。 目前关于索类空间结构的风雨振问题形成机理大致可分为如下几类观点： (1) 驰振机理 日本的Hikami Shiraishi 1985年在Meiko.Nishi 桥最先观测到风雨振现象。随后他们通过一系列的人工降雨风洞实验再现了这一现象。他们在实验的基础上初步分析了风雨振的发生机理，认为风雨振可能有两种机理：一种是Den Hartog[1]驰振机理；另一种是弯扭两个自由度驰振机理。 (2) 上水线振荡诱发机理 Yamaguchi.H[2]在进行带固定人工水线拉索三分力实验基础上，最早进行了理论分析，认为单自由度Den Hartog驰振理论不能解释风雨振的形成机理。通过分析发现水线的形状和位置的变化会改变拉索的气动稳定性。Peil, U. Nahrath, N. [3]通过实验，研究了索结构风雨振，得出了相似的结论，认为上水线的运动是导致风雨振的主要原因。 (3) 上水线特定位置致振机理 Masumoto[4]对带人工上水线的圆柱进行了的测振和测压实验。研究了紊流度、上水线位置、风速、风攻角等参数对该模型的气动性能的影响，并测得强迫振动时带人工水线拉索表面压力分布。提出了上水线在某些位置可剧烈改变拉索的气动性能。Bosdogianni and Olivari [