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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εk 41

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△*Eij 48

2.3.3三类应力张量σij 、 Tj与Sij 51

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