淺談渦激共振及控制

蔡素梅　孫小惠

摘 要：當(dāng)漩渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率接近時會發(fā)生結(jié)構(gòu)渦激共振，這是結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動中最常見的一種現(xiàn)象。高寬比很大的超高層建筑、煙囪、橋梁等結(jié)構(gòu)都有可能發(fā)生整體結(jié)構(gòu)的渦振，也普遍發(fā)生于長細(xì)比大的構(gòu)件如拉索、吊桿、拱橋立柱、格構(gòu)式結(jié)構(gòu)中。當(dāng)渦激振動的振幅超過規(guī)定限制，必須采取相應(yīng)的措施解決。渦激共振現(xiàn)象的主要研究手段是彈性懸掛節(jié)段模型風(fēng)洞實驗，而且模型比例應(yīng)該盡可能大，這是因為渦激振動對結(jié)構(gòu)外形極為敏感，且可能存在顯著的雷諾數(shù)效應(yīng)。但是對渦振的研究仍然屬于灰色系統(tǒng)。在實際工程中，控制結(jié)構(gòu)渦激共振的措施主要有結(jié)構(gòu)措施、氣動措施及機械措施等。

關(guān)鍵詞：渦激振動；控制措施

1 引言

1940年美國中跨為853米Tacoma吊橋在八級大風(fēng)中發(fā)生大幅扭轉(zhuǎn)振動，70分鐘后中跨加勁梁全部落入海中，這一事故給橋梁工程界造成巨大沖擊的同時，也促進了橋梁風(fēng)工程的發(fā)展與進步。經(jīng)過半個多世紀(jì)的努力，橋梁對風(fēng)反應(yīng)雖尚有不明之處，但已基本明確如下

若結(jié)構(gòu)非完全剛性，或具有彈性支撐，在空氣動力的作用下，它將會產(chǎn)生振動。但只要振動位移響應(yīng)充分小，它就不會影響結(jié)構(gòu)的漩渦脫落。隨風(fēng)速的增加，結(jié)構(gòu)漩渦脫落頻率線性增加。當(dāng)結(jié)構(gòu)的漩渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)的某階自振頻率接近時，結(jié)構(gòu)會發(fā)生明顯的渦激共振現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)渦激共振現(xiàn)象具有明顯的氣動彈性效應(yīng)。由于渦激共振是在低風(fēng)速時發(fā)生，不可能將發(fā)振風(fēng)速提高到設(shè)計風(fēng)速之上，只能采取措施不使其發(fā)生或?qū)⑵湔穹拗圃谝?guī)定范圍內(nèi)。在橋梁工程中，渦激振動雖不會直接帶來橋梁的毀壞，但會帶來橋梁功能障礙，人的不適感，構(gòu)件的疲勞損傷，甚至可能誘發(fā)其他類型致命的動態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象。所以，必須重視渦激共振的控制。丹麥Great Belt East懸索橋和巴西Rio-Niteroi大橋等連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)橋都發(fā)生了振幅較大的豎彎渦振。拱肋的小幅渦振有時會激發(fā)吊桿的大幅振動，其振幅可達1m以上，這對橋梁的安全構(gòu)成新的威脅。因此，研究渦激共振的機理，尋求抑制渦激共振的措施和方法，是結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究中重要的課題。

2 渦激振動的特點

渦激振動同時具有強迫振動和自激振動的性質(zhì)，它具有以下特點：

1）是一種發(fā)生在較低風(fēng)速區(qū)的有限振幅振動。

2）只在某一風(fēng)速區(qū)發(fā)生

3）最大振幅對阻尼有很大依賴性

4）響應(yīng)對斷面形狀的微小變化很敏感

5）渦激振動可以引起彎曲振動，也可以激起扭轉(zhuǎn)振動

6）渦激振動增加了脈動力在橋梁跨長方向的相關(guān)性

7）渦激振動響應(yīng)存在比較明顯的滯后現(xiàn)象

3 渦激共振抗風(fēng)設(shè)計應(yīng)注意的問題

1）渦激氣動力對振幅的依賴關(guān)系

2）氣流紊亂對振幅的影響 從不同斷面的風(fēng)洞實驗可知，一般情況，紊流會減小振幅，但也存在使振幅增加的情況。

3）結(jié)構(gòu)的形狀及位置對風(fēng)反應(yīng)的空間影響

4 結(jié)構(gòu)渦激共振控制措施

4.1 結(jié)構(gòu)措施

結(jié)構(gòu)措施有增加結(jié)構(gòu)剛度和增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量或增加阻尼兩大類。增加結(jié)構(gòu)的總體剛度可提高結(jié)構(gòu)的自振頻率，從而提高結(jié)構(gòu)的渦激共振起振風(fēng)速，避免結(jié)構(gòu)在常風(fēng)速下發(fā)生渦激共振現(xiàn)象增加結(jié)構(gòu)的質(zhì)量或阻尼，都可以減小渦激振動的振幅。在實際工程中，如在拱橋的吊桿、斜拉橋的拉索采用鋼絲繩相連，在拱橋立柱中填砂均在增加質(zhì)量的同時也增加了阻尼。瑞典的一座主跨為278米的拱橋鋼立柱在風(fēng)速20m/s時發(fā)生了渦激共振現(xiàn)象，振幅達30mm.為抑制立柱的渦激共振現(xiàn)象，該橋采取了立柱填砂的方法。

4.2 機械措施

機械措施是通過在結(jié)構(gòu)中安裝阻尼器或TMD等器件來降低結(jié)構(gòu)的渦激共振響應(yīng)的一種措施。阻尼器一端與振動的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件相連，另一端必須置于有足夠剛度且本身振動可以忽略的地方。這限制了它的應(yīng)用范圍，目前最常見的是應(yīng)用于斜拉索的振動控制。TMD包括振動質(zhì)量塊、彈簧和阻尼器三大工作部件。它基于慣性原理工作，直接放置在振動物體上而不需要外部支撐，因而在凌空架設(shè)的橋梁、高聳入云的建筑中都得到廣泛的應(yīng)用。著名的臺北101高樓就安裝了單擺式TMD。英國Kessock橋在發(fā)生振幅為110mm的豎向渦激共振后，采用了安裝TMD來控制渦激共振。但在大跨度橋梁上應(yīng)用TMD要注意以下問題：

1）豎向低頻TMD的彈簧靜伸長很大。靜伸長L00.25/（f*f），而大跨度橋梁豎向渦激共振頻率往往在0.2～0.6Hz，因此豎向TMD靜伸長很大。

2）與建筑用TMD相比，橋梁用TMD要求疲勞壽命更長。橋梁渦激共振一般發(fā)生在10m/s的常見風(fēng)速下，而與它同頻率和Strouhal的超高層建筑，由于迎風(fēng)面寬度是橋梁寬度的3倍以上，所以只會在30m/s的高風(fēng)速下發(fā)生渦激共振，因此橋梁用TMD的疲勞壽命要求遠遠高于建筑用TMD。

3）橋梁環(huán)境下維護困難，要求TMD工作可靠，盡量免維護。

4.3 氣動措施

氣動措施通過選擇氣動外形良好的斷面形式或采用附加氣動，裝置以改善結(jié)構(gòu)的氣流特性，從而減小激振外力的輸入，達到消除或抑制結(jié)構(gòu)渦激共振的結(jié)果。目前，橋梁主梁結(jié)構(gòu)渦激共振氣動控制措施主要有設(shè)置導(dǎo)流板、抑流板、風(fēng)嘴等。氣動控制措施相比機械措施更具實施可行性和運營可靠性，但也存在更多的不確定因素，因為其對結(jié)構(gòu)外形的改變既可能對抑制風(fēng)振有利，也可能不利，需通過風(fēng)洞試驗加以驗證。英國第二賽文橋在通車后的第一個冬天就發(fā)生了豎向渦激共振。采用在主梁下安裝擾流板的措施后渦振基本消除。

5 渦振研究存在的不足和問題

有關(guān)渦振的研究，雖然取得了一些重要成果，但由于渦振影響因素繁多，仍未徹底揭示其機理。渦振理論模型要么過于簡單，只能用于有限的場合，要么太過復(fù)雜，含有很多必須通過風(fēng)洞試驗才能確定的參數(shù)，可操作性差。理論計算結(jié)果或試驗結(jié)果與工程實際之間存在明顯的差別。

6 結(jié)語

本文主要介紹了渦激共振及其控制方法，指出了渦振研究方面的不足，希望能對風(fēng)工程工作人員提供幫助。

參考文獻

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