基于虚拟激励法的大跨管桥风振内力分析.pdf

《基于虚拟激励法的大跨管桥风振内力分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、石油机械CHINAPETROLEUMMACHINERY2010年第38卷第9期●设计计算基于虚拟激励法的大跨管桥风振内力分析高建何仁洋王德国耿岱(1．中国石油大学(北京)2．中国特种设备检测研究院)摘要将虚拟激励法应用到管桥结构中，考虑了多模态耦合效应，推导了运用虚拟激励原理分析管桥风振内力反应计算公式，并在Matlab中应用该公式进行模态分解和虚拟激励法计算响应功率谱矩阵，得到3级、6级和10级风速下主索及吊索、管道轴向力及弯矩均方根。分析结果认为，虚拟激励法是一种很有效的分析方法；随着风速的增大，管道内力值也增大，在10级风速时轴向力和横向弯矩明显增加，对该风速应重点防范；横向弯矩最大值出

2、现在管跨的、及抗风索作用点处；缆索与管道内力分布在结构两端处有较大值。关键词虚拟激励法多模态大跨管管桥风振结构内力悬索跨越管桥属于大型柔性结构，风载是主要失效诱因之一⋯。原油和天然气输送管道穿跨越=D(删+删Oa+工程设计规范规定管道跨越应避免风的涡激作用引起桥面结构共振J，必须采取有效的防振措施；口+以)(1)美国《管道安全改进法》HR3609第25款提出，对悬索式跨越结构的安全检测技术应专门进行调查=Df++研究。以往的管桥结构分析文献中通常采用位移有限元法，计算结构内力响应时需引入更高阶模态的口+1(2)参与，计算量随之增大。在风振分析中，高阶模态的参与、各阶模态间的相互耦合影响不容忽式

3、中L、D。——自激气动升力及阻力；视。当考虑多模态耦合效应时，随机振动方法通常p——空气密度；只用于计算位移和加速度响应。目前，虚拟激D——管道直径；励法在桥梁抗振、抗风等许多领域已得到广泛应用。然而，这种方法在空间自由度数很大的管、P——横断面气动导数，是折算频率K7-Dw／v的无量纲函数，i=1，2，3，4；道缆索跨越中很少应用。笔者将该方法应用到管桥——来流平均风速；结构中，考虑多模态耦合效应，推导了运用虚拟激——结构振动圆频率：励原理分析管桥风振内力反应计算公式，并在h、P、Ⅱ——广义位移。Matlab中应用该公式进行模态分解和虚拟激励法计1．2结构风致响应计算算响应功率谱矩阵，求得结

4、构内力响应。忽略气动阻尼及其他气弹效应，具有n个节点的结构在风载作用下的运动方程为9-10]：1跨越管桥虚拟激励分析方法[()}+[c())+1．1管道单元气动力表达对于风致振动效应，在小幅振动下，作用在主[K]))=[叫}(3)梁单位长度上的自激力采用气动导数描述为：其中，[M]、『C]、『K]分别为系统的n阶质量$基金项目：国家科技支撑计划项目“生命线工程安全保障关键技术研究”(2006BAKO2BOI)。石油机械2010年第38卷第9期矩阵、结构阻尼矩阵和刚度矩阵，[]为力影响352．11mm，吊索截面积为40．57mm，弹性模量矩阵。为195GPa。建立的有限元模型如图1所示。构造虚拟

5、激励[A(t)]=~／()e(=1，2，⋯，r)(4)代入式(3)并求得稳态解为：{()}={l，()}e(5)采用前n阶振型降阶得：图1悬索跨越管桥模型2．1计算条件{l，(∞)}=∑{}(6)根据上面推导的公式，采用Matlab语言编制式中——振型频率响应函数，Hj=(一2+了风振响应分析程序。根据当地的气象资料，平均2蘑，∞)～；风速在2．3～3．2m／s之间，从安全的角度考虑，oJi、{)、专、——第阶自振圆频率、另选取6级风(10．8～13．8m／s)和10级狂风振型、阻尼比、振型参与系数。(24．5～28．4m／s)进行计算。风攻角取为0。。与按照虚拟激励法，位移{Y(t)}的功率

6、谱矩风谱有关的参数取值为：空间相关性选取偏保守值阵为：7，风谱的卓越周期一般大于60s，而结构第40阶模态的周期仅为0．053S，选用结构前40阶模态是Is∥(∞)]=∑{y()}·{l，()}(7)合理的。各阶模态阻尼比取为0．05％。频率积分虚拟激励法得到的公式中包括了所有振型交叉范围∈[0．05，20．52]rad／s，积分步长取为dw项，考虑了振型之间的耦合。于是，结构的位移响=0．005rad／s。应均方根值和加速度响应均方根由功率谱密度函数2．2结果分析积分而得，即采用虚拟激励法，在3种风速下管桥的内力，即主索及吊索拉力、管道轴向力及弯矩均方根沿桥(8)跨的变化如图2～图5所示。面

7、(9)由位移响应的功率谱矩阵计算公式可进一步推导出结构单元内力响应的功率谱矩阵【l。单元内力响应向量{}可通过单元刚度矩阵[]求曩得，其功率谱矩阵为：[s((￡，)]=∑{Ⅳ}·{Ⅳ}T=k=l图2吊索拉力均方根值柱状图[][][S(∞)][r[K](10)其中，[]为坐标变换矩阵。由此可见，提取单元各阶模态内力，在公式中将模态位移矩阵[咖]替换为单元模态内力矩阵[]就可以方便地得出单元内力的自功