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厦漳跨海大桥的颤振和抖振响应实验研究

Ayad Thabit Saeed(阿亚德)  
【摘要】:利用风洞试验技术测定桥梁气动弹性和空气动力学参数,是桥梁抗风研究的主要内容。目前斜拉桥正呈现大跨度、柔性的发展趋势,其空气动力特性变得越来越复杂。近年来,不断成熟的颤振和抖振分析方法大大提高了原本的计算能力。但对于大跨度以及结构复杂的斜拉桥,其气动力参数、气动弹性参数和其它的相关参数非常复杂,存在多模态和气弹耦合作用,目前的计算方法还不能解决这类桥梁的空气动力特性问题,必须依靠风洞试验。 本论文讨论了风洞试验研究中所使用的设备,包括风洞设备、桥梁模型、弹性悬挂系统、动态数据采集系统和其它一些相关的设备,也介绍了提取空气动力参数和气动弹性参数的试验方法。所有的试验是在中国空气动力研究发展中心进行的。论文还对试验风洞和桥梁模型设计进行了简要说明。 试验中所采用的2自由度弹性悬架系统可允许桥梁节段模型在竖向和扭转两个方向运动,并通过数据采集系统实时对动态振动信号进行采集。论文详细介绍了悬挂系统设计和识别系统,使用自由振动识别方法从时程信号中一次性提取桥梁节段模型的8个颤振导数。试验采用三个模型:①北汊推荐方案;②北汊比较方案一;③北汊比较方案二。对风速、攻角、流场类型及有无栏杆4个主要影响颤振导数和颤振临界风速的因素进行了讨论。根据实验结果,采用多元线性回归的方法,提出了包含风速和风攻角α的函数,作为颤振导数的三个计算公式。 对于特别重要的厦门-漳州跨海大桥进行全桥气动弹性模型试验是十分必要的,通过全桥试验开展了风速、攻角、流场类型及有无栏杆等主要影响颤振导数和抖振响应的因素研究,确定了颤振临界风速、施工态(独塔、单悬臂和双悬臂状态)和成桥状态的抖振响应。抖振响应试验在均匀流场和湍流场中进行,介绍了平均风速和脉动风(水平和竖向)的测量调试方法。湍流是通过放置尖劈和粗糙元模型产生的,描述了尖劈、粗糙元的大小、在风洞中的位置和所产生湍流的特性,也讨论了在试验研究中获得气动力参数的过程和试验结果。根据实验结果,采用多元线性回归的方法,提出了包含参数风速,风角β和风攻角α的函数,作为位移的RMS计算公式。这些参数均考虑了三个不同的整体模型以及不同的测试条件。论文提出了采用主动质量阻尼器(AMD)的思想。这样可以减轻桥塔阶段,单悬臂阶段和双悬臂阶段的振动,提高桥梁在强阵风作用下的性能。此外,将AMD用于桥梁施工阶段,可以增大桥梁的临界风速。 Selberg方程是一个著名的估算节段和全桥气弹模型二维颤振临界速度的经验公式,它明确指出在结构和空气动力学特性对桥梁颤振性能的作用,有利于我们更好地理解桥梁结构发生颤振的机理。通过Selberg方程获得颤振临界风速。由试验得到的节段模型的颤振临界风速和Selberg方程的理论计算结果是基本一致的,但是仅仅依赖一个单一参数的经验公式作为理论预测的风险较大。 在全桥模型和独塔模型风洞试验中,未发现明显的颤振现象发生。在均匀流和湍流场中,即使在测试风速远大于理论确定的颤振临界风速时,最大单悬臂和最大双悬臂状态的振动加速度值较小,但在湍流场发现明显的抖振位移,发生在最大双悬臂条件下、攻角为-3°、测试风速高于36.7米/秒时,悬臂端竖向的抖振位移明显。单塔在风速低于159m/s,振动加速度较小,未发现驰振现象发生。值得注意的是但在湍流场中,塔顶上沿横桥向发生明显的振动。所有测试工况中均未发现动态或者静态毁坏现象。 在节段模型试验中,当湍流度较大时,栏杆对气动导数结果影响较大。试验中发现模型的H_1~*和A_2~*值随着风速的减小而减小。由于风速负气动阻尼小,且远小于结构阻尼,因此结构的稳定性是可靠的。根据所有的试验结果,颤振临界风速要比测试范围内的风速高。 基于试验结果,全桥气动弹性模型和节段模型都具有很好的气动稳定性。因此,对于颤振和抖振响应,厦漳大桥在这些方面具有良好的抗风性能。


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