大跨雙幅橋梁新型同步氣彈-測壓風(fēng)洞試驗研究

Novel synchronized aeroestic-pressure measurement wind tunnel experimental analysis for long-span double-deck bridges

ZHAO Zhihang1a， LIU Yuanjie2， CHEN Zengshun1a，LI Xiaobin ^3，4 ZHANG Jinbao5， XU Yemeng ^1a，1b ， TONG Yagang3

（lSchool of Civil Enginering；1b.Colegeof Aerospace Enginering，Chongqing University，Chongqing 400045， P.R.China;2.Chongqing Transport Commission，Chongqing 4Ol147，P.R.China；3.Qinghai Provincial Transportation Construction Management Co.，Ltd.，Xining 8l0o21，P.R.China; 4.Qinghai Lake Tourism Development GroupCo.，Ltd， Xining 810o03，P.R.China;5. Qinghai Provincial Transportation Holding Group Co.，Ltd.， Xining 8l0o03，P.R. China）

受氣動干擾效應(yīng)的影響，雙幅橋梁可能出現(xiàn)大幅度渦振和軟顫振[1。由于渦振和軟顫振的自激力具有復(fù)雜的非線性和非定常的“雙非\"特性，因此，通過風(fēng)洞試驗直接同步測量自激力和響應(yīng)時程是建立結(jié)構(gòu)振動與流場反饋（即振動反饋效應(yīng)）規(guī)律數(shù)學(xué)模型的最佳方法[2。筆者研發(fā)了一種新型同步氣彈-測壓風(fēng)洞試驗技術(shù)，并利用該技術(shù)系統(tǒng)研究雙幅橋梁氣動干擾效應(yīng)的非線性氣動作用機制，填補了該試驗技術(shù)的空白。

新型氣彈測壓測量系統(tǒng)基于IEEE1588時鐘同步協(xié)議開發(fā)，系統(tǒng)架構(gòu)和測量儀器組成如圖1所示，可實現(xiàn)ns級精確多通道異構(gòu)數(shù)據(jù)同步測量。與傳統(tǒng)外部時鐘源同步系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)允許任意選擇一臺采集儀的內(nèi)部時鐘作為主控時鐘，通過網(wǎng)絡(luò)交換機即可連接并同步多臺采集器，極大地簡化了系統(tǒng)架構(gòu)，降低了開發(fā)成本和難度，并提高了不同設(shè)備間的兼容性和數(shù)據(jù)采集精度。

基于新型同步氣彈-測壓試驗系統(tǒng)開展大跨度雙幅橋氣動干擾效應(yīng)試驗研究。節(jié)段模型基本尺寸：截面高度 D 為 0.06m ，寬度 B 為 0.3m （矩形）、0.42m （流線形），展向長度 L 為 1.6m ，如圖2（a）所示，其中 c 為上下游橋面之間的間距。流線形截面通過在矩形截面兩端加裝風(fēng)嘴實現(xiàn)。氣彈模型用彈簧固定在壁面導(dǎo)軌上，通過移動彈簧固定位置調(diào)整模型間距。單個模型總質(zhì)量 M 為 11.13kg （含掃描閥、測壓管線及彈簧等效質(zhì)量）。上下游橋面模型采用相同的機械參數(shù)，豎彎和扭轉(zhuǎn)頻率分別為3.15.6.05Hz ，阻尼比分別為 0.32% 和 0.36% 。模型表面布設(shè)壓力測點以測量壓力，電子壓力掃描閥及測壓管路通過限位裝置固定在模型內(nèi)部，掃描閥由兩條數(shù)據(jù)線纜從模型兩端連接到采集儀。風(fēng)致振動響應(yīng)則由剛臂兩側(cè)對稱安裝的激光位移計同步記錄。同步測量系統(tǒng)采樣頻率為 500Hz ，每次測量持續(xù) 40s 。

通過靜風(fēng)條件下的強迫振動-測壓試驗驗證新測量系統(tǒng)的同步性能，測量結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明，位移信號與壓力信號同步振蕩，表明結(jié)構(gòu)振動與表面壓力信號能精準(zhǔn)同步采集。

同步氣彈-測壓試驗考慮了截面形式、橋面間距c 來流風(fēng)速 U_∞ 、風(fēng)攻角 α 四個關(guān)鍵參數(shù)，試驗參數(shù)如表1所示。

試驗結(jié)果表明，氣動干擾效應(yīng)對雙幅橋面風(fēng)致振動的影響遠超單幅橋梁。在氣動干擾效應(yīng)的影響下，雙幅橋梁上、下游橋面出現(xiàn)的渦振起振風(fēng)速與顫振臨界風(fēng)速顯著下降、渦激共振振幅及鎖定區(qū)間增大、顫振形態(tài)改變等一系列風(fēng)振現(xiàn)象，證實了氣動干擾效應(yīng)對雙幅橋風(fēng)振行為存在重大不利影響。

與傳統(tǒng)試驗方法相比，該同步氣彈-測壓測量系統(tǒng)具有高精度、良好數(shù)據(jù)同步性和強擴展性等優(yōu)點，能高精度同步測量非定常壓力和振動響應(yīng)，適用于研究結(jié)構(gòu)振動與氣流的雙向流固耦合規(guī)律，以構(gòu)建非線性自激力模型。該系統(tǒng)為高層建筑和大跨橋梁等風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)的氣動彈性研究及抗風(fēng)設(shè)計提供了先進的試驗技術(shù)支持。

參考文獻

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[2］朱樂東，莊萬律，高廣中.矩形斷面非線性馳振自激力 測量及間接驗證中若干重要問題的討論[J].實驗流體 力學(xué)，2017，31（3）：16-31. ZHULD，ZHUANG WL，GAO G Z.Discussionon several important issues in measurement and indirect verification of nonlinear galloping self-excited forceson rectangularcylinders[J].JournalofExperiments in Fluid Mechanics，2017，31（3）：16-31.（inChinese）

（編輯胡英奎）