平行分離雙幅橋氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)識(shí)別的混合強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)法

周奇　朱樂(lè)東　周成　郭震山

摘要：自由振動(dòng)試驗(yàn)法（FreeV法）用于平行分離雙幅橋氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)識(shí)別時(shí)，由于人工初始激勵(lì)不同，節(jié)段模型產(chǎn)生的氣動(dòng)干擾不同，進(jìn)而導(dǎo)致氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)識(shí)別結(jié)果規(guī)律性差，識(shí)別數(shù)據(jù)離散性大。為此，提出了混合強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)法（MFV法），并對(duì)比分析了MFV法和FreeV法識(shí)別出的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)，以及基于MFV法和FreeV法的二維顫振分析結(jié)果與節(jié)段模型測(cè)試結(jié)果。研究結(jié)果表明：無(wú)論是上游橋還是下游橋，MFV法識(shí)別的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)均離散性較小，隨折算風(fēng)速的變化規(guī)律明確；而FreeV法識(shí)別的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)離散性較大，隨折算風(fēng)速的變化規(guī)律較差，尤其是受氣動(dòng)干擾效應(yīng)影響較大的下游橋；基于MFV法預(yù)測(cè)的顫振臨界風(fēng)速與節(jié)段模型測(cè)試結(jié)果較為接近，而基于FreeV法預(yù)測(cè)的顫振臨界風(fēng)速與節(jié)段模型測(cè)試結(jié)果的偏差較大，尤其是下游橋，偏差更為顯著；相比于FreeV法，MFV法能更為準(zhǔn)確地模擬平行分離雙幅橋的氣動(dòng)干擾效應(yīng)，其顫振預(yù)測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：平行分離雙幅橋；氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)；混合強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)法；自由振動(dòng)試驗(yàn)法；顫振臨界風(fēng)速

引言

社會(huì)發(fā)展日新月異，大跨度橋梁需要承擔(dān)的交通量也越來(lái)越大，從早期的2車(chē)道發(fā)展到8車(chē)道，即便如此仍然難以滿足日益增長(zhǎng)的交通需求。為了能夠提供更大的通行能力，同時(shí)又避免單幅橋過(guò)寬的問(wèn)題，平行雙幅橋應(yīng)運(yùn)而生。平行雙幅橋由于上下幅橋面相距較近，氣流流經(jīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的氣動(dòng)干擾效應(yīng)，對(duì)大橋的靜動(dòng)力抗風(fēng)性能產(chǎn)生一定的影響。早在上個(gè)世紀(jì)90年代，Akihiro Honda就對(duì)三幅相互平行的連續(xù)箱梁橋進(jìn)行了氣動(dòng)穩(wěn)定性研究，結(jié)果表明橋面之問(wèn)的氣動(dòng)干擾對(duì)橋梁的靜動(dòng)力特性都有明顯影響。此后，Sarkar，Irwin，Kimura，陳政清、朱樂(lè)東、周奇等也對(duì)平行雙幅橋的氣動(dòng)干擾效應(yīng)做了一定程度的研究，研究表明氣動(dòng)干擾效應(yīng)與橋面問(wèn)距和來(lái)流風(fēng)向有關(guān)，其產(chǎn)生機(jī)理十分復(fù)雜，在大跨度橋梁抗風(fēng)性能分析中不可忽略。

自從scanlan提出氣動(dòng)自激力模型之后，氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)就成為了大跨度橋梁顫振和抖振分析的重要參數(shù)，精確識(shí)別氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)成為顫振和抖振分析的關(guān)鍵。橋梁斷面的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)通?？梢酝ㄟ^(guò)節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)識(shí)別，按照模型的振動(dòng)情況，試驗(yàn)方法可以分為兩類(lèi)：自由振動(dòng)法和強(qiáng)迫振動(dòng)法。自由振動(dòng)法由于試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單且成本低得到了廣泛的應(yīng)用，但強(qiáng)迫振動(dòng)法也具有其優(yōu)點(diǎn)：（1）試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性好。自由振動(dòng)法需要進(jìn)行初始激勵(lì)，而不同的初始激勵(lì)作用下，模型振動(dòng)的形式和幅度大小會(huì)不同，進(jìn)而導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)差異性較大。而強(qiáng)迫振動(dòng)具有確定性的振動(dòng)幅度和頻率，數(shù)據(jù)差異性?。唬?）高風(fēng)速下的識(shí)別精度仍可得到保證。在高風(fēng)速下，自由振動(dòng)法的豎彎模態(tài)振動(dòng)信號(hào)迅速衰減，其在自由振動(dòng)中的參與程度已經(jīng)很小，從而帶來(lái)識(shí)別精度明顯下降，而強(qiáng)迫振動(dòng)不存在此問(wèn)題；（3）振動(dòng)參數(shù)可控可調(diào)易于研究。自由振動(dòng)法中不易改變模型振動(dòng)頻率、振幅和相位差，而強(qiáng)迫振動(dòng)可精確調(diào)整這些參數(shù)；（4）可直接獲得氣動(dòng)自激力，避免了系統(tǒng)識(shí)別帶來(lái)的偏差。自由振動(dòng)法需要通過(guò)系統(tǒng)識(shí)別獲得振動(dòng)模態(tài)、頻率、阻尼比等振動(dòng)參數(shù)問(wèn)接推算氣動(dòng)自激力，而強(qiáng)迫振動(dòng)法可以直接測(cè)定自激力。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)平行雙幅橋的氣動(dòng)干擾效應(yīng)做了一定程度的研究，如氣動(dòng)干擾對(duì)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的影響，但大都采用的自由振動(dòng)法識(shí)別平行雙幅橋氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)。然而，自由振動(dòng)法識(shí)別出的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)往往離散性較大，試驗(yàn)的可重復(fù)性也差。為此，本文以天津塘沽海河大橋?yàn)楣こ瘫尘埃谠腥杂啥葟?qiáng)迫振動(dòng)裝置和識(shí)別理論基礎(chǔ)上，提出了混合強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)法，對(duì)天津塘沽海河大橋的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)進(jìn)行識(shí)別，并將識(shí)別結(jié)果與自由振動(dòng)法識(shí)別結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。