基于高精度风雨模拟试验系统的斜拉索风雨振试验和分析

摘要

现有拉索风雨振理论和方法还难以采用拉索风雨振试验方法进行验证，其主要障碍在于风雨振试验条件无法精确模拟风雨环境，特别是雨量大小的控制。本文在改进风雨振试验精度的前提下，主要以风洞试验和数值计算为手段，较为系统地研究了影响拉索风雨振的主要影响因素，并提出了改进的拉索表面水膜数值计算方法。 1．设计了一套高精度人工降雨装置，采用三组不同口径喷头叠加的方式模拟不同强度的降雨，可对雨量进行精细调节，较为准确模拟雨滴大小、能量、均匀度等自然降雨的特性。 2．再现了风雨联合作用条件下拉索的风雨振现象，系统研究了拉索空间姿态和动力特性等参数对拉索风雨激振的影响，试验结果表明：拉索风雨振最不利空间姿态是风偏角20°和倾角30°；拉索风雨振频率一般在1．5Hz以下，结构阻尼比在0．29％以下。 3．着重研究了风速和雨量对拉索风雨振的影响，揭示了拉索在低风速（4．1m/s）和大雨量（80mm/h）或高风速（8～7m/s）和小雨量（10mm/h）才能激发风雨振的规律，并发现低风速和大雨量下仅有下水线，而高风速和小雨量下形成上、下水线的现象。 4．介绍了Lemaitre水膜理论理论，对模型中拉索加速度项进行了修正，考虑拉索运动对水膜形态的影响。通过差分方法对水膜方程进行数值求解。研究拉索表面水膜在重力、表面风压、表面摩擦力、表面张力和拉索运动作用下形态的变化。

目录

文摘

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第一章 斜拉桥拉索振动问题

1.1 斜拉桥跨径演变

1.2 拉索振动现象

1.3 拉索风振分类

1.4 拉索风振控制

第二章 拉索风雨激振研究现状

2.1 桥位现场观测

2.2 风洞试验研究

2.2.1 人工降雨节段模型试验

2.2.2 人工水线节段模型试验

2.3 理论分析模型

2.3.1 单自由度驰振理论

2.3.2 拉索和水线耦合气动失稳理论

2.3.3 轴向流激振理论

2.4 主要研究目标

2.4.1 研究目的

2.4.2 技术路线

2.4.3 主要内容

第三章 风雨激振参数系列试验

3.1 高精度风雨模拟试验系统

3.1.1 试验设备

3.1.2 试验模型及参数

3.1.3 试验工况

3.2 拉索空间姿态

3.2.1 风偏角影响规律

3.2.2 倾角影响规律

3.3 拉索动力特性

3.3.1 振动频率影响

3.3.2 结构阻尼影响

3.4 风速和雨量

3.4.1 风速影响规律

3.4.2 雨量影响规律

3.4.3 风雨共同影响

3.5 小结

第四章 风雨激振计算模型

4.1 Lemaitre水膜计算理论

4.1.1 几何模型建立

4.1.2 水膜方程及其边界条件

4.1.3 滑移计算方程推导

4.2 水膜计算方法改进

4.2.1 拉索振动作用

4.2.2 水膜运动方程求解

4.3 水膜计算结果

4.3.1 拉索振动加速度的影响

4.3.2 表面风爪和摩擦力的影响

4.3.3 上下水线运动

4.4 小结

第五章 结论与展望

5.1 主要研究工作

5.2 主要研究结论

5.3 未来研究展望

附录

参考文献

个人简历

致谢