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第1章 空气动力学与气动弹性力学基础1

1.1空气流动的力学特性1

1.1.1空气的压缩性1

1.1.2空气的黏性2

1.1.3流体内部的压强，伯努利公式3

1.1.4流动雷诺数5

1.1.5层流与湍流6

1.1.6湍流流动特性9

1.1.7边界层流动分离及再附13

1.2柱体绕流16

1.2.1圆柱绕流特征17

1.2.2气动力及其系数20

1.3流体运动的数学描述24

1.3.1流体运动的描述方法24

1.3.2定常、非定常流动与准定常假设26

1.3.3迹线、流线和烟线26

1.3.4气流运动的纳维-斯托克斯方程27

1.4气动弹性力学简介28

1.4.1基本概念28

1.4.2气动弹性系统运动方程30

1.4.3气动弹性系统方框图31

参考文献33

第2章 梁杆结构的几何非线性分析方法34

2.1梁杆结构几何非线性的行为及其表现形式35

2.1.1悬索桥重力刚度的力学解释35

2.1.2梁柱效应与压杆屈曲38

2.1.3大挠度效应38

2.1.4斜拉索垂度效应39

2.1.5多层次非线性分析的必要性39

2.2矢量与张量的字母标号表示法39

2.2.1爱因斯坦求和约定、哑标与自由标40

2.2.2克罗内克符号40

2.2.3排列符号εk41

2.2.4应力张量42

2.2.5高阶张量和广义胡克定律43

2.2.6弹性力学基本方程字母标号表示形式44

2.2.7小变形理论的虚功原理45

2.3固体力学的有限变形理论47

2.3.1 TL列式法与UL列式法，空间坐标与物质坐标47

2.3.2格林应变Eij及其UL型增量△*Eij48

2.3.3三类应力张量σij 、 Tj与Sij51

2.3.4应力增量51

2.3.5三维虚功增量方程52

2.4基于广义位移的梁杆结构几何非线性空间分析54

2.4.1大旋转小应变空间梁元的广义增量平衡方程54

2.4.2梁元的有限元的平衡方程58

2.4.3空间梁元加载步结束时的状态更新62

2.4.4 NACS程序与算例66

参考文献69

第3章 高层建筑风荷载与等效风荷载71

3.1大气边界层风场特性71

3.1.1平均风剖面72

3.1.2湍流度剖面72

3.1.3纵向脉动风速谱73

3.1.4湍流积分尺度74

3.2基本风速74

3.3高层建筑风荷载的理论与试验方法76

3.3.1准定常方法76

3.3.2高频天平测力80

3.3.3刚性模型同步测压82

3.4高层建筑等效静力风荷载90

3.4.1荷载等效的几种方法90

3.4.2高层建筑风致响应94

3.4.3等效风荷载及风振系数99

参考文献100

第4章 桥梁风荷载101

4.1概述101

4.2定常与准定常风荷载103

4.2.1平均风荷载103

4.2.2脉动风荷载107

4.3非定常风荷载110

4.3.1理想平板断面110

4.3.2钝体断面111

4.4相似理论与相似参数115

4.4.1气动力影响参数分析115

4.4.2流动相似的无量纲分析118

4.5驰振121

4.6静风失稳124

4.6.1均匀流场中的静风扭转发散125

4.6.2紊流场中的静风扭转发散127

参考文献128

第5章 山区峡谷风环境131

5.1概述131

5.1.1桥位风环境主要参数131

5.1.2山区峡谷风环境研究概况133

5.2矮寨大桥及所处地形135

5.2.1矮寨大桥工程概况135

5.2.2桥位地形135

5.2.3按吉首地区的风速与方向资料计算设计风速136

5.3矮寨峡谷风场的现场观测137

5.3.1悬索式风观测系统138

5.3.2数据采集与传输139

5.3.3数据处理程序139

5.4基于现场观测的矮寨峡谷风场特征142

5.4.1风场极值风速与风向分析142

5.4.2峡谷风剖面实测分析144

5.4.3偏北高风速样本湍流度分析147

5.4.4现场观测小结147

5.5桥位峡谷地形模型风洞试验研究148

5.5.1概述148

5.5.2主要试验研究结果149

5.6山区峡谷风环境的大区域CFD模拟151

5.6.1桥位地形数值模型、分析方法和工况151

5.6.2计算参数的确定157

5.6.3矮寨特大桥桥位风场CFD模拟结果（D900入口条件）158

5.6.4与国内类似研究的比较164

5.7峡谷风场研究的主要结论与建议164

5.7.1主要结论164

5.7.2确定山区峡谷风场结构设计风速的建议165

参考文献165

第6章 输电塔与冷却塔的风荷载167

6.1概述167

6.1.1格构式输电塔167

6.1.2发电站冷却塔168

6.2格构式输电塔的风荷载体型系数169

6.2.1体型系数定义与测试方法169

6.2.2输电塔不同部位的风荷载体型系数172

6.3格构式输电塔的风振系数176

6.3.1输电塔风振系数理论分析178

6.3.2输电塔气弹模型风洞试验180

6.4冷却塔风荷载分布的规范比较187

6.5单座冷却塔风压分布特性及其效应191

6.5.1刚性模型测压试验192

6.5.2脉动风压分布特性193

6.5.3风效应的三维有限元分析197

6.5.4表面粗糙度对极值响应的影响199

6.6冷却塔风振响应与风振系数199

6.6.1冷却塔风振响应有限元分析199

6.6.2完全气动弹性模型试验203

6.6.3冷却塔结构的风振系数210

6.7冷却塔群塔干扰效应212

6.7.1群塔干扰风洞试验212

6.7.2群塔效应干扰因子取值方法212

6.7.3群塔布置优化方案研究215

参考文献217

第7章 气动参数识别方法220

7.1气动参数识别方法综述221

7.1.1颤振导数识别方法综述221

7.1.2气动导纳识别方法综述227

7.2基于强迫振动法的颤振导数识别方法232

7.2.1三自由度强迫振动试验系统232

7.2.2气动导数识别的强迫振动频域法234

7.2.3颤振导数识别的强迫振动时域法237

7.2.4颤振导数的强迫振动识别法的实例240

7.3基于自由振动法的颤振导数识别243

7.3.1分段扩阶最小二乘迭代法243

7.3.2有偏心桥梁断面的颤振导数识别245

7.4复气动导纳函数的识别方法251

7.4.1复气动导纳函数的识别理论252

7.4.2复气动导纳识别的试验研究256

7.4.3基于主动格栅的分离频率识别方法263

参考文献268

第8章 桥梁颤振的三维频域分析274

8.1概述274

8.1.1古典耦合颤振理论275

8.1.2分离流颤振二维理论275

8.1.3三维有限元颤振理论276

8.2在ANSYS中实现颤振分析278

8.2.1基本理论278

8.2.2考虑结构阻尼281

8.2.3数值实现方法282

8.2.4数值算例282

8.3颤振分析的多模态法296

8.3.1气动力矩阵推导296

8.3.2多模态参与单参数搜索M-S法299

8.3.3颤振特征方程的求解300

8.3.4颤振临界状态的特征运动300

8.3.5数值算例302

参考文献305

第9章 非定常气动力理论及时域分析307

9.1二维势流简介307

9.1.1速度环量307

9.1.2势函数308

9.1.3流函数308

9.1.4复势函数309

9.1.5基本平面势流310

9.2保角与流型变换315

9.2.1保角变换316

9.2.2流型变换316

9.3流线型断面定常气动力理论320

9.3.1薄翼型定常气动力320

9.3.2平板定常气动力324

9.4流线型断面非定常气动力理论325

9.4.1非定常气动力的环量理论325

9.4.2刚性竖向振动非定常气动力331

9.4.3刚性扭转振动非定常气动力332

9.4.4一般运动非定常气动力333

9.4.5气动力阶跃特性335

9.5钝体桥梁断面非定常气动力340

9.6从二维机翼理论到钝体：气动导纳的现状与问题341

9.6.1理想流线型断面气动导纳341

9.6.2采用等效的阶跃函数推导气动导纳函数343

9.6.3采用等效的泰奥多森函数推导气动导纳函数347

9.6.4准定常阻力气动导纳函数348

9.6.5关于钝体断面气动导纳的试验识别349

9.7桥梁断面非定常气动力的时域表达350

9.7.1断面气动自激力的卷积形式350

9.7.2阶跃函数表达式的拟合352

9.7.3有理函数表达式的拟合354

9.7.4断面非定常抖振力的卷积形式356

9.7.5颤抖振时域分析358

9.7.6时域表达式的瞬态与极限特性359

9.7.7时域颤抖振分析中的一些数值问题367

参考文献368

第10章 涡激振动与控制371

10.1概述371

10.1.1涡激共振现象371

10.1.2结构涡激共振研究现状372

10.2涡激力模型及气动参数识别373

10.2.1尾流振子模型373

10.2.2经验线性涡激力模型及参数识别方法374

10.2.3经验非线性涡激力模型及气动参数识别方法376

10.2.4广义范·德波振子涡激力模型及气动参数识别方法379

10.2.5矩形断面涡激力模型气动参数识别实例382

10.3结构涡激共振二维数值模拟384

10.3.1结构涡激共振二维数值模拟方法385

10.3.2钝体断面结构涡激共振数值模拟算例386

10.3.3桥梁主梁断面涡激共振数值模拟实例392

10.4结构涡激共振控制措施398

10.4.1结构措施398

10.4.2气动措施399

10.4.3机械措施403

10.5悬索桥高阶模态的涡激共振405

10.5.1研究背景405

10.5.2不同悬挂频率的矩形节段模型风洞试验409

10.5.3多点弹性支承矩形梁的气弹模型风洞试验414

10.5.4高阶模态涡激共振的容许振幅415

10.5.5大跨度桥梁高阶模态的阻尼比416

参考文献417

第11章 紊流对颤振和抖振的影响420

11.1紊流风场对颤振的影响420

11.1.1紊流风场下的颤振导数421

11.1.2紊流对颤振导数影响机理研究425

11.1.3紊流风场下的自激力空间相关性429

11.2紊流参数对抖振的影响433

11.2.1抖振分析的有限元模型434

11.2.2紊流强度影响434

11.2.3紊流积分尺度影响436

参考文献438

第12章 多体结构风致振动的气动干扰效应440

12.1概述440

12.1.1易发生气动干扰振动的多体结构／类型440

12.1.2气动干扰效应的研究现状442

12.2双幅桥梁三分力系数气动干扰效应447

12.2.1典型断面几何参数确定447

12.2.2单幅断面三分力系数的CFD研究447

12.2.3双幅断面三分力系数气动干扰效应450

12.3双幅典型断面涡激振动的气动干扰效应455

12.3.1双幅矩形断面涡激振动气动干扰效应456

12.3.2双幅Π形断面涡激振动气动干扰效应458

12.3.3双幅流线型断面涡激振动气动干扰效应459

12.4双幅桥梁颤振稳定性气动干扰效应461

12.4.1双幅矩形断面颤振稳定性气动干扰效应462

12.4.2双幅Π形断面颤振稳定性气动干扰效应464

12.4.3双幅流线型断面颤振稳定性气动干扰效应466

12.5串列双主缆气动于扰效应468

12.5.1风洞试验简介468

12.5.2风洞试验结果469

12.6串列三圆柱气动干扰导致的驰振472

12.6.1工程背景与风洞试验472

12.6.2串列三圆柱驰振的流固耦合模拟计算473

参考文献477

第13章 结构振动控制的基本理论与方法480

13.1概述480

13.1.1耗能减振装置481

13.1.2动力吸振器482

13.2黏滞阻尼器483

13.2.1黏滞阻尼器减振原理483

13.2.2黏滞阻尼器构造484

13.2.3黏滞阻尼器的恢复力模型和滞回曲线486

13.2.4设置黏滞阻尼器的减振设计方法490

13.3调频质量阻尼器的减振设计495

13.3.1调频质量阻尼器减振原理495

13.3.2单自由度结构-调频质量阻尼器系统的计算模型496

13.3.3调频质量阻尼器的减振设计501

13.3.4调频质量阻尼器的结构502

13.3.5 TMD的结构要求508

13.4减振结构的动力学仿真及在ANSYS中的模拟509

13.4.1等效模态阻尼比分析509

13.4.2动力响应时程分析511

13.4.3减振结构的动力响应分析511

13.4.4减振效果评价512

13.4.5减振元件在ANSYS中的模拟513

参考文献517

第14章 拉索振动与控制518

14.1拉索的振动方程518

14.1.1拉索在分布荷载作用下的振动方程518

14.1.2由于端部运动引起的拉索振动524

14.2拉索振动的类型527

14.2.1参数共振527

14.2.2内部线性共振529

14.2.3涡激共振529

14.2.4尾流驰振530

14.2.5裹冰拉索驰振531

14.2.6风雨激振531

14.2.7高风速下涡激振动532

14.3拉索的风雨激振533

14.3.1现场观测534

14.3.2风洞试验538

14.3.3理论分析540

14.3.4 CFD数值模拟543

14.4抑制拉索振动的措施543

14.4.1空气动力学措施543

14.4.2结构措施544

14.4.3机械减振措施544

14.5拉索减振用永磁调节式磁流变阻尼器546

14.5.1永磁调节式磁流变阻尼器546

14.5.2永磁式磁流变阻尼器非线性参数模型548

14.5.3永磁式MR阻尼器理论模型与试验结果的比较550

14.5.4拉索-永磁式磁流变阻尼器组合系统的动力仿真分析551

14.6半主动控制的自供电磁流变阻尼器系统555

14.6.1斜拉索振动控制试验555

14.6.2试验结果与分析558

14.6.3结构振动的负刚度控制561

14.6.4自供电MR阻尼器的负刚度特性562

14.6.5小结563

14.7自供电MR阻尼器控制超长索的振动564

14.7.1斜拉索-阻尼器耦合系统的数值计算模型564

14.7.2拉索振动控制仿真分析566

参考文献568

第15章 板式吊杆的风致振动与控制572

15.1吊杆风致振动概述572

15.2 H型吊杆风致振动573

15.2.1大攻角扭转颤振现象573

15.2.2吊杆参数对颤振的影响577

15.2.3 H型吊杆的驰振性能580

15.2.4涡激共振584

15.2.5与其他研究的比较587

15.3箱型吊杆风致振动588

15.3.1驰振589

15.3.2涡激共振591

15.4吊杆抗风设计方法593

15.4.1吊杆频率估算593

15.4.2设计准则594

15.5机械减振措施596

15.5.1水平抗风索减振措施596

15.5.2电涡流TMD减振措施598

参考文献601

第16章 计算流体动力学的基本原理与应用602

16.1流体动力学控制方程和流动模拟603

16.2大涡模拟法604

16.3雷诺时均法606

16.4湍流模型606

16.4.1零方程模型607

16.4.2标准k-ε模型607

16.4.3 RNG k-ε模型608

16.4.4 Realizable k-ε模型609

16.4.5 k-ω模型609

16.5基于CFD商业程序的桥梁颤振导数识别610

16.5.1计算模型及网格划分610

16.5.2计算条件612

16.5.3速度场比较612

16.5.4颤振导数识别结果613

16.6基于任意拉格朗日-欧拉描述法的桥梁颤振导数识别615

16.6.1算法基本原理615

16.6.2基于桥梁断面正弦激励的颤振导数识别616

16.6.3基于桥梁断面指数激励的颤振导数识别619

16.6.4应用实例——钢箱主梁的颤振导数与颤振临界风速624

参考文献626

附录A简支梁颤振分析物理坐标法的ANSYS源命令流628

附录B长索频率快速估算的近似公式634