索结构风雨振的非线性动力学行为研究.doc

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1、索结构风雨振的非线性动力学行为研究国家自然科学基金（10372068），教育部博士点基金（20060056005）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

2、索结构规范形中图分类号：O322Nonlineardynamicsofrain-wind-inducedvibrationsofCablestructureHeXue-junZhangQi-changTianRui-Lan(SchoolofMechanicalEngineering,TianjinUniversity,Tianjin,300072,China)Abstract：Two-degreemodelofrain-wind-inducedvibrationsofcablestructurewithmov

3、ingupperrivuletwasstudied.TheoriginalsystemwasstudiedbynumericalcomputationwithsymbolalgebralanguageMathematica.Theinfluenceofdensityofair,dampingofcable,angleofattacketcwasdiscussed.Thephasediagramsofcableandrivuletwereachieved.Itshowedthattheirmomentsconv

4、ergedtolimitcircles.SimpleraveragingequationwasachievedbyvirtueofMathematicaprogram,whichshowedtheexistenceofstationarysolution.Keywords：Nonlinear;rain-wind-inducedvibrations;cablestructure;normalform1.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

5、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

6、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&Shiraishi1985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DenHartog[1]驰振机理；另一种是弯扭两个

7、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DenHartog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

8、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。BosdogianniandOlivari[5]将带有运动与固定的水线拉索的风洞实验结果进行比较，得出了相同的结论。国内，同济大学的顾明等[6]建立了两自由度的风雨振模型，通过数值模拟提出了危险区域的概念，阐述了由水线瞬时位置引起的拉索的不稳定性的观点。顾明，黄麟，刘慈军，彭天