桅杆结构横风向振动响应研究

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1、目’鸸f匍褫动＼＼。奠二伺缝建筑结构学报’1996年6月@．、7桅杆结构横风向振动Ⅱ向应研究，棉埔盟(苘济大学上海200092)p【撮要】桅杆结构横风向振动响应主要有两种形式：风致随机振动和涡激振动。本文采用线性随机振动理论来分析桅杆结构风致随机振动，并对单筒式桅杆的横风向自由振动机理、横风向共振及其控制进行了研究，同时给出相应的算倒来说明一、桅杆结构横风向振动机理桅杆结构在风作用下同时产生顺风向和横风向振动。目前高耸结构横向风振的机理尚未完全清楚桅杆考虑纤绳和杆身相互作用以及纤绳非线性影响下的横风向振动，是个很复杂的问题。因横风向振动过大而造成疲劳损伤和破坏事故时有发生。图1是

2、在德国Gartow测出的一座344m格构式桅杆振动响应时程图，在某频率区内横风向振动响应均方值是顺风向振动响应均方值的两倍叉如．325m的北京气象桅杆在建成后就出现在二级风(风速约3m／s)作用下．纤绳发生强烈横风共振。因此桅杆横风向振动是个不容忽视的问题。厂、，厂、＼／^＼力系．。(度)V姐㈩{八√硒1桅杆风振响应(杆身弯矩)图2桅杆随迎角变化的阻力和升力系数靶攀咖挈嚣髻碲导致桅杆横风向振动主要有两个因素：1．桅杆的结构特性引起的横风振动。在随机风作用下．由于纤绳非线性以及纤绳与杆身振动的相互牵制，桅杆不但在顺风向上，同时在横风向上产生振荡的弯曲响应．导致桅杆的空间振动。称之为

3、桅杆的“风致空间随机振动”。这种由顺风荷载导致的横风向弯曲响应，反映了桅杆结构独特的动力特性。2．涡激振动，这是高耸结构横向风振的主要形式风作用在圆截面的纤绳、弦杆或单筒式杆身上，产生交替脱落的旋涡．桅杆在横风方向上被周期地驱动．但这种驱动力只引起很小的响应。当旋涡脱落频，率与结构自振频率接近或相等时．出现频率锁定现象，引起桅杆在横风方向上较大盼运动，即横风共振。此外，导致桅杆横风振动的因素还有：1．风作用在由型钢组成的格构式桅杆上．产生顺风阻力和横风升力，随着风向的改变，结构横截面平均升力系数和阻力系数随迎角变化(图2)一在升力系数曲线斜率小于零区域，激励部分有可能产生负阻尼成

4、分。如果风速达到某值时，负阻尼大于正阻尼．桅杆横风方向可能产生大幅度振动，即“驰振”(Galloping)2．桅杆的内共振导致的横风振动。桅杆由于有纤绳的支持．使前面几个自振频率比较接近．容易导致两种自振形式之间的能量交换桅杆在两种振动形式之间的变化导致桅杆的空间振动。3风湍流不但作用在结构顺风向上，也作用在横风向上。因为风来流不仅在作向前运动．同时也在作旋转运动。因此桅杆所受横风荷载实际上应当由两部分组成：一种是顺风湍流在结构尾流中的旋涡脱落引起的荷载P(z，)，它导致桅杆的涡激振动．另一种是侧向湍流引起的荷载(z，f)，也会引起桅杆的横风振动。桅杆实测表明：纤绳在裹冰时可能会

5、出现纤绳的驰振现象，但在格构式桅杆杆身上发生驰振的机率小·且作用时间短；由于两种自振形式之间能量传递引起的内共振容易发生在纤绳刚度较小的桅杆上·而实际中的桅杆纤绳刚度都比较大；侧向湍流对桅杆横风向振动影响程度很小，它引起的计算最大偏差不超过1oN；此外，侧向湍流对桅杆产生的作用至今还未有实测过。由此，在以下对桅杆横风向振动响应的分析中假设：忽略来流中侧向湍流的作用，也不考虑桅杆驰振和内共振现象，只分析桅杆的“风致空间随机振动”和“涡激振动。二、桅杆的风致空间随机振动在随机风作用下，桅杆的顺风向与横风向振动是同时产生且相互联系的，单独计算其中的任一部分都是不切实际的。以下研究在顺风

6、荷载作用F桅杆的空间随机振动响应．并通过实例比较桅杆的横风向响应和顺风向响应(一)计算模型及假设l’W。一图3桅杆的线性化、本文采用线性随机振动理论在频域内计算桅杆风致随机振动响应。将桅杆这种强非线性体系在“观察点”上线性化(图3)．“观察点”即为平均风荷载作用下结构响应的均值苣．结构的3振动就视作沿着该点切线方向上的运动。(二)桅杆风致随机振动响应计算1．风荷载功率谱S口l)的计算单位长度上结构顺风荷载由稳定风(式1)和脉动风(式2)两部分组成：F一0．5DB(1)尸“)一。(￡)B+MPv—dr(t)(2)了『_式中，为阻力系数，P为空气质量密度．为平均风速．B为结掏参考尺度

7、，(￡)为脉动风速，为假想质量系数，为假想来流体积。式(2)中忽略后一项气动力影响．得风荷载自功率谱(式3)和互功率谱(式4)：Spp)-p。BBS)(3)S(叫)一pZ,uⅡBBB,(z)(zJ)S+()‘4)．P．式(3)、式(4)中的风速谱采用修正的Davenport风速谱：)一号f(5a)X—L)·，()(5b)式中，为标准偏差，L：)为湍流长度，频率，一／2。2．力学传递函数H)的计算结构振动方程为M：{)+[cj{)4-[K]{U)一{F“))(6)式中]为桅杆质量矩