橋梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗簡介

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1、橋梁抗風(fēng)科普知識之一——橋梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗簡介“橋梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗”簡介一概述橋梁結(jié)構(gòu)一般為柔長結(jié)構(gòu)，在一個方向上有較大的尺度，而在其他兩個方向則相對尺度較小。風(fēng)對橋梁結(jié)構(gòu)的作用近似得滿足片條理論，可通過節(jié)段模型試驗來研究橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動響應(yīng)。通過橋梁節(jié)段模型試驗，可以測得橋梁斷面的三分力系數(shù)、氣動導(dǎo)數(shù)，為橋梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)分析提供參數(shù)；同時通過節(jié)段模型試驗對橋梁結(jié)構(gòu)進行二自由度的顫振臨界風(fēng)速試驗實測和渦激振動響應(yīng)。在大跨度橋梁結(jié)構(gòu)初步設(shè)計階段一般都要通過節(jié)段模型試驗來進行氣動選型；對于一般大跨度橋梁結(jié)構(gòu)也要通過節(jié)段模型試驗來檢驗其氣動性能，因此橋梁結(jié)構(gòu)節(jié)段模型試驗是

2、十分重要的橋梁結(jié)構(gòu)模型試驗，也是應(yīng)用最為廣泛的風(fēng)洞試驗。節(jié)段模型試驗根據(jù)其測試響應(yīng)的不同可以分為測力試驗和測振試驗；根據(jù)節(jié)段模型試驗懸掛方式的不同可以分為剛性懸掛節(jié)段模型試驗、強迫振動試驗和彈性懸掛節(jié)段模型試驗。測定橋梁結(jié)構(gòu)的非定常氣動力特性（氣動導(dǎo)數(shù)、氣動導(dǎo)納）以及在非定常氣動力作用下的穩(wěn)定性和振動響應(yīng)（顫振和渦激共振）。測定橋梁結(jié)構(gòu)主梁斷面在非定常氣動力作用下的表面壓力分布狀態(tài)，分析不同時刻的主梁斷面壓力分布變化情況。通過彈簧和支承裝置將主梁剛體模型懸掛在風(fēng)洞內(nèi)，并使其能產(chǎn)生豎向平動及繞節(jié)段模型截面重心轉(zhuǎn)動的二自由度運動。支承裝置應(yīng)具有改變模型攻角和約束任一自由度的

3、機構(gòu)，并可根據(jù)需要設(shè)置附加阻尼裝置用于改變彈性懸掛系統(tǒng)的阻尼。彈性懸掛節(jié)段模型支承方式見圖1-1。圖1-1彈性懸掛節(jié)段模型支承湖南大學(xué)風(fēng)工程試驗研究中心WindEngineeringResearchCenterofHunanUniversity1橋梁抗風(fēng)科普知識之一——橋梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗簡介彈簧懸掛二元剛體節(jié)段模型風(fēng)洞試驗除了要求模型與實橋之間滿足幾何外形相似外，原則上還應(yīng)滿足以下三組無量綱參數(shù)的一致性條件：UUωtò彈性參數(shù)：，或(頻率比)ωBωBωbtbmJrmò慣性參數(shù)：，或(慣性半徑比)24ρbρbbò阻尼參數(shù)：ζ,ζ(阻尼比)bt其中：U為平均風(fēng)速，ω、ω分

4、別為彎曲和扭轉(zhuǎn)振動固有圓頻率，B為橋?qū)挘琤為半橋?qū)挘琤tm、J為單位橋長的質(zhì)量和質(zhì)量慣性矩，ρ為空氣密度，r為慣性半徑，ζ，ζ分別為豎mbt向彎曲、扭轉(zhuǎn)振動的阻尼比。表1-1給出了按以上相似條件得到的模型系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)。表1-1節(jié)段模型參數(shù)縮尺比參數(shù)名稱符號單位表達式縮尺率梁長LmmLp1/n梁寬BmmBp1/n梁高HmmHp1/n單位長度質(zhì)量mkgmM1/n2p單位長度質(zhì)量慣矩J2I4mkgmm?p1/n結(jié)構(gòu)阻尼比ξ-ξ1時間Tstpm/n風(fēng)速Vm/sVp1/m頻率fHzfpn/m注：表中的m值可根據(jù)風(fēng)洞風(fēng)速范圍任意選取。oo試驗的攻角范圍一般為±3，特殊情況（如主梁

5、有超高角）時可取為±5，攻角變化o步長為1。根據(jù)試驗?zāi)康牡牟煌煞謩e在均勻流場和紊流風(fēng)中進行。試驗風(fēng)速范圍應(yīng)至少達oo到換算到試橋?qū)崢驎r的顫振檢驗風(fēng)速或使主梁產(chǎn)生1~5的扭轉(zhuǎn)振幅、梁寬的1/100~1/20的豎向振幅。試驗結(jié)果以攻角為參數(shù)的氣動阻尼—折算風(fēng)速、氣動導(dǎo)數(shù)—折算風(fēng)速、振動響應(yīng)——風(fēng)速等關(guān)系曲線表示。湖南大學(xué)風(fēng)工程試驗研究中心WindEngineeringResearchCenterofHunanUniversity2橋梁抗風(fēng)科普知識之一——橋梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗簡介二節(jié)段模型設(shè)計示例——青島海灣大橋一期工程紅島航道橋節(jié)段模型設(shè)計（確定風(fēng)洞試驗的一些關(guān)鍵參數(shù)）1

6、.全橋結(jié)構(gòu)動力特性分析結(jié)果采用大型有限元分析程序ANSYS對青島海灣大橋成橋狀態(tài)進行結(jié)構(gòu)動力特性分析，與節(jié)段模型風(fēng)洞試驗相關(guān)的主要振型、頻率及等效質(zhì)量見表2-1。表2-1青島海灣大橋一期工程紅島航道橋結(jié)構(gòu)動力特性及等效質(zhì)量振型編號頻率(Hz)振型描述等效質(zhì)量(t/m)等效質(zhì)量慣性矩2(t.m/m)70.8072主梁一階對稱豎彎0.160799E+0291.2178主梁二階對稱豎彎0.150570E+02262.4871主梁一階對稱扭轉(zhuǎn)0.476752E+04由于節(jié)段模型風(fēng)洞試驗是將橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)簡化為彎扭耦合的兩自由度系統(tǒng)，因此，對于每一自由度均可以看作一個單自由度振動體

7、系。對于單自由結(jié)構(gòu)振動體系，其振動頻率為：kω=，可以得到對應(yīng)橋梁在成橋狀態(tài)各階振型對應(yīng)的振動系統(tǒng)剛度。m2.顫振試驗頻率比確定根據(jù)橋梁成橋狀態(tài)的顫振檢驗風(fēng)速為69.1m/s的實際情況，并結(jié)合橋梁顫振檢驗風(fēng)速的估算值，取實橋顫振試驗風(fēng)速范圍為0~140m/s，對應(yīng)的模型試驗風(fēng)速區(qū)間初步確定為0~20m/s，初步確定相應(yīng)的風(fēng)速比為U/U=1/7，考慮到彈性參數(shù)的相似，pmUUωt彈性參數(shù)：，或(頻率比)ωBωBωbtb即節(jié)段模型頻率比為f/f=25/7=3.5714mp湖南大學(xué)風(fēng)工程試驗研究中心WindEngineeringResearch