日期：20160310
注： 本人缺乏風(fēng)工程基礎(chǔ)，本篇筆記難免有錯(cuò)誤之處。
引言
結(jié)構(gòu)風(fēng)災(zāi)害案例：
- 日本明港西大橋拉索風(fēng)雨振；
- 東京港大橋振動(dòng)；
- Tacoma Narrows Bridge顫振破壞；
結(jié)構(gòu)對(duì)象
對(duì)風(fēng)敏感的結(jié)構(gòu)：
- 橋梁，大跨度懸索橋、斜拉橋；
- 高層高聳結(jié)構(gòu)；
- 大跨（索膜）結(jié)構(gòu)；
- 風(fēng)能發(fā)電結(jié)構(gòu)（海洋+陸地）；
- 輸電結(jié)構(gòu)（電塔+電線）
- 海洋結(jié)構(gòu)
- 海洋平臺(tái)
- 輸油管道
這些結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)是：
- 柔度大，基頻低；
- 阻尼比小；
在實(shí)際的振動(dòng)問題中，阻尼的影響可能比頻率f更大。
研究的視野要寬廣，不要只局限于建筑結(jié)構(gòu)，還應(yīng)該看到橋梁、電力、能源的應(yīng)用。
風(fēng)振基本問題
動(dòng)力學(xué)基本方程如下：
\begin{equation}
m \ddot{x} + c \dot{x} + kx = F(t)
\end{equation}
在地震工程中$F(t) = m \ddot{x}_g$，在風(fēng)工程中$F(t)$即為風(fēng)壓荷載。在不同的風(fēng)速下風(fēng)壓荷載的形式不同：
- 脈動(dòng)風(fēng)，時(shí)變；
- 層流風(fēng)，定常；
由于繞流場(chǎng)不同，風(fēng)荷載模型的表達(dá)形式不同，普遍的隱式表達(dá)式;
\begin{equation}
F = F(u,I,L,A,S,t)
\end{equation}
其中：
- u--風(fēng)速；
- L--結(jié)構(gòu)尺度；
- t--時(shí)間；
- 其余參數(shù)含義不懂；
繞流場(chǎng)的影響因素：
- 結(jié)構(gòu)的形狀；
- 流固耦合作用；
國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)
- 同濟(jì)大學(xué)，橋梁抗風(fēng)，項(xiàng)海帆院士在80年代初創(chuàng)建風(fēng)洞；
- 西南交大，鐵路橋梁風(fēng)工程；
- 哈工大-大跨空間結(jié)構(gòu)組，大跨結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，孫瑛老師創(chuàng)建風(fēng)荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)；
- 哈工大-深圳研究生院，高層結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究；
哈工大放在課題組（Structure Monitoring Cneter，SMC）起步較晚，其他機(jī)構(gòu)普遍關(guān)注于風(fēng)荷載$F(t)$的研究，SMC選擇了更深層的流場(chǎng)研究和健康監(jiān)測(cè)作為戰(zhàn)略方向：
- 研究流場(chǎng)，分析風(fēng)荷載的形成；
一般的風(fēng)洞試驗(yàn)主要測(cè)試風(fēng)壓為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)； - 橋梁風(fēng)振監(jiān)測(cè)；
首次將PIV粒子成像系統(tǒng)應(yīng)用于風(fēng)工程（陳文禮教授，高東來博士）；
常見振動(dòng)的形式
風(fēng)致振動(dòng)的主要形式有5種：
- 渦振，東京港大橋高層結(jié)構(gòu)；
- 顫振，Tacoma Narrows Bridge；
- 風(fēng)雨振，斜拉橋拉索；
- 抖振，所有結(jié)構(gòu)普遍存在；
- 弛振
- 單純弛振
- 尾流弛振（輸電線）；
風(fēng)荷載的形式影響振動(dòng)系統(tǒng)的性質(zhì)：
- $F(t)$，荷載僅與時(shí)間相關(guān)，則系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，與典型的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型一樣；
- $F(t,y,y^{'},yx)$，荷載與結(jié)構(gòu)振動(dòng)狀態(tài)耦合，形成非線性系統(tǒng)，不滿足疊加原理
渦振
渦振由層流風(fēng)（定常，無脈動(dòng)）引起，當(dāng)尾流漩渦脫落時(shí)的頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率相等$f_v = f_c$，激發(fā)結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)。示意圖如下：
振動(dòng)特點(diǎn)：
- 限幅振動(dòng)；
- 滯回現(xiàn)象；
- 群體效應(yīng)；
限幅振動(dòng)
在非線性動(dòng)力學(xué)中，阻尼與位移加速度相關(guān)，即$c = c(y,y^{'})$。在小位移，低速度的狀態(tài)下，風(fēng)的動(dòng)能輸入使得$c<0$，負(fù)阻尼，振幅不斷加大；當(dāng)振動(dòng)達(dá)到臨界狀態(tài)$ c=0 $，0阻尼情況下，結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)，振幅不變。
總阻尼 = 固體阻尼 + 氣動(dòng)阻尼
滯回現(xiàn)象
如圖
- 風(fēng)速增大，振幅增大到一定程度，然后消失；
- 風(fēng)速減小，振幅先增大后減小，但與風(fēng)速增大過程的曲線不同；
即相同的風(fēng)速下可能處于不同的振動(dòng)狀態(tài)。
群體效應(yīng)
多棟建筑距離較近時(shí)，風(fēng)場(chǎng)形成的渦流相互影響。
案例
雙箱梁的截面設(shè)計(jì)本來為了減少顫振（事實(shí)上的確減小了顫振），但引起了渦振，雙箱之間形成渦流。
風(fēng)洞模型試驗(yàn)沒有發(fā)現(xiàn)渦振，這很可能是模型阻尼小造成渦振差別很大。
模型與實(shí)橋的雷諾數(shù)Re差別很大：
- 實(shí)際$10^8$
- 模型$10^5$
此為一大研究難題。
顫振
顫振，即導(dǎo)致Tacoma Narrows Bridge破壞的振動(dòng)形式，是橋梁設(shè)計(jì)的控制因素，規(guī)范嚴(yán)格控制顫振。
渦振與顫振均由層流風(fēng)引起：
- 低風(fēng)速（4m/s-12m/s），渦振
- 高風(fēng)速（12m/s-50m/s），顫振
國(guó)內(nèi)測(cè)量的最高風(fēng)速為100m/s，顫振設(shè)計(jì)臨界風(fēng)速一般為65m/s。
顫振的研究分為3個(gè)時(shí)期：
- 30-70年代；
- 80 年代；
- 80-至今；
30-70年代
主要研究航空領(lǐng)域機(jī)翼的顫振，機(jī)翼為平板結(jié)構(gòu)不能直接應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)。
橋梁的氣動(dòng)斷面主要有：
-
桁架，美國(guó)日本多采用；
桁架梁-明石海峽大橋 -
箱梁，歐洲中國(guó)多采用；
箱梁-南京長(zhǎng)江二橋
桁架梁結(jié)構(gòu)可以看做上下2片平板，直接采用機(jī)翼顫振理論；
箱梁的顫振氣動(dòng)自激力模型由 Robert H. Scanlan（The Johns Hopkins University霍普金斯大學(xué)）提出，假設(shè)單模態(tài)顫振。
80 年代
考慮橋梁結(jié)構(gòu)跨度越來越大，高層建筑越來越高，結(jié)構(gòu)跨越不同的風(fēng)場(chǎng)，故研究多模態(tài)顫振模型。
80-至今
發(fā)現(xiàn)顫振的2種類型
- 硬顫振，很快導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞；
- 軟顫振，不會(huì)快速破壞；
兩者在氣動(dòng)自激力有差別。
抖振
抖振由脈動(dòng)風(fēng)引起，采用結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)理論求解。
- 風(fēng)荷載->脈動(dòng)風(fēng)速譜；
- 由伯努利方程將風(fēng)速轉(zhuǎn)換為風(fēng)壓；
- 加載，求解；
抖振理論由Alan G. Davenport（Canada，風(fēng)工程專家、邊界層風(fēng)洞創(chuàng)始人）在1972年創(chuàng)立：
- 流固耦合；
- 氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)；
- Sears函數(shù)；
有待研究點(diǎn)：
- 氣動(dòng)導(dǎo)納；
- 結(jié)構(gòu)體量很大時(shí)，不同部位啟動(dòng)特性的相關(guān)性；
- 考慮結(jié)構(gòu)振動(dòng)的氣彈模型，目前試驗(yàn)普遍采用剛性模型；
風(fēng)雨振
在一定的風(fēng)雨組合下，雨水在斜拉索表面形成水線，改變拉索的氣動(dòng)外形，引發(fā)強(qiáng)烈振動(dòng)。可以在斜拉索表面加螺旋線，防止水線形成，控制振動(dòng)，但機(jī)理尚不清楚。
弛振
在一定的風(fēng)攻角，圓截面的構(gòu)件迎風(fēng)面實(shí)際變成橢圓，引發(fā)弛振。
研究方法
- 風(fēng)洞試驗(yàn)；
- 數(shù)值計(jì)算；
- 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；
- 理論研究；
- 風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)，陳文禮老師；
問題：
- 風(fēng)雨振試驗(yàn)，難以測(cè)量表面風(fēng)壓，如果布置測(cè)試則破壞水線，無法形成風(fēng)雨振；
- 風(fēng)荷載較難在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室模擬重現(xiàn)；
- 大尺度渦流（500 m）難以在實(shí)驗(yàn)室制造，實(shí)驗(yàn)室尺度不超過20 m；
- 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，流場(chǎng)的檢測(cè)困難；
- 高雷諾數(shù)（$Re = 10^8$）的數(shù)值求解問題，無法忽略小渦的影響；
應(yīng)用
- 煙囪效應(yīng)：高層結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫度、氣壓差別較大，風(fēng)聲很大，電梯門關(guān)不住；
- 測(cè)試風(fēng)場(chǎng)分布，確定風(fēng)能最大的地方，建立風(fēng)力發(fā)電站；
