典型鈍體斷面大攻角下的顫振自激力特性

劉慕廣，陳政清

(1.華南理工大學 土木與交通學院 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣州 510641;2.湖南大學 風工程試驗研究中心，長沙 410082)

顫振現(xiàn)象是由作用在結(jié)構(gòu)上的氣動自激力引起的，正確描述結(jié)構(gòu)受到的氣動自激力，是研究橋梁結(jié)構(gòu)顫振失穩(wěn)現(xiàn)象的前提與關(guān)鍵所在。自Scanlan提出用氣動導數(shù)表示的自激力模型后，采用基于自由振動或強迫振動的風洞試驗提取結(jié)構(gòu)的氣動導數(shù)進行顫振分析的方法得到廣泛的應用。氣動導數(shù)作為大跨度橋梁顫振分析中的重要參數(shù)，其識別精度會對分析結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，所以目前很多學者［1-2］在識別方法上進行了較多的研究工作。Scanlan自激力模型中假定氣動導數(shù)僅是無量綱風速的函數(shù)，且由斷面形狀唯一確定。Matsumoto等［3］在研究了不同振動形態(tài)的兩矩形截面的氣動導數(shù)后指出，鈍體截面較流線型截面更易受到振動形態(tài)的影響。Noda等［4］研究了兩組高寬比的矩形斷面的氣動導數(shù)后指出，豎向振幅的變化對氣動導數(shù)無明顯影響。以上研究中多未考慮攻角因素，而僅針對0°攻角進行分析。現(xiàn)有研究表明，處于山區(qū)復雜地形及峽谷地帶的橋梁風場受局部地形的影響十分劇烈，所受的來流風攻角有可能達到10°或更大［5-6］。在大攻角下，振動方式對結(jié)構(gòu)氣動導數(shù)的影響會異于0°攻角，本文通過強迫振動試驗法，分別以矩形與H型這兩種典型鈍體斷面為對象，對大攻角下振動形態(tài)差異對氣動導數(shù)的影響這一問題進行了初步的探討。

1 試驗布置

常規(guī)風洞試驗中在獲取不同攻角的氣動導數(shù)時，常采用旋轉(zhuǎn)模型或懸掛裝置的方式實現(xiàn)攻角變化，如圖1所示。試驗中模型的豎向振動方向一般為風軸y向，與實際結(jié)構(gòu)風振時沿體軸y向的振動形態(tài)存在一個夾角α(即攻角α)，這種差異必然會對氣動導數(shù)產(chǎn)生一定影響。顯然，隨攻角的增大，常規(guī)試驗與實際風振豎向振動形態(tài)的差異就越大。

圖1 攻角變化示意圖Fig.1 Attack angle changes schematic

圖2 試驗中的矩形斷面Fig.2 Rectangular section in the test

2 矩形截面氣動導數(shù)的差異

首先以寬高比為1.24的矩形截面為對象，該模型長1 400 mm，寬與高分別為207 mm和167 mm。試驗中驅(qū)動模型以風軸y向與x向的同頻(f=1.8 Hz)同相位運動，振動幅值分別為20 mm和4 mm，模擬了11.3°攻角下體軸y向運動，對應的4個氣動導數(shù)值如圖3所示。另外，圖中同時給出了模型以f=1.8 Hz，風軸y向20 mm振幅運動時識別出的氣動導數(shù)。

圖3 攻角11.3°下矩形截面氣動導數(shù)Fig.3 Aerodynamic derivatives of rectangular section at 11.3°

圖4 攻角26.6°下矩形截面氣動導數(shù)Fig.4 Aerodynamic derivatives of rectangular section at 26.6°

為了進一步分析更大風攻角下豎向振動形態(tài)對各氣動導數(shù)的影響，試驗中驅(qū)動模型以風軸y向16 mm振幅與風軸x向8 mm振幅的同頻(f=1.8 Hz)同相位運動，模擬了26.6°攻角下體軸y向運動，識別了對應的4個氣動導數(shù)，如圖4所示。另外，圖中同時給出了模型以f=1.8 Hz，風軸y向16 mm振幅運動時識別出的氣動導數(shù)。

由以上兩個攻角下矩形截面氣動導數(shù)的分析可見，豎向振動形態(tài)對、、三個導數(shù)存在顯著的影響，但對導數(shù)影響較小。振動形態(tài)對各氣動導數(shù)的影響各異，且攻角不同，影響規(guī)律也不盡相同。

3 H型截面氣動導數(shù)的差異

為了進一步分析其它截面氣動導數(shù)受豎彎振動形態(tài)的影響程度，試驗中又選取一H型截面為研究對象，分別識別了其在風軸y向與體軸y向運動時的氣動導數(shù)。該模型長1.4 m，寬30 cm，高12.5 cm，相應的寬高比為2.4。模型以風軸y向16 mm振幅與風軸x向8 mm振幅的同頻(f=1.8 Hz)同相位運動來模擬26.6°風攻角下體軸y向運動，識別了對應的4個氣動導數(shù)，如圖5所示。另外，圖中同時給出了模型以風軸y向16 mm振幅運動時識別出的氣動導數(shù)。

由圖5中可見，振動形態(tài)對H型斷面各氣動導數(shù)仍然存在較大程度的影響。對于導數(shù)，風軸y向振動下識別值較體軸y向識別值整體偏大，在U/fB=7附近差異達到最大，隨無量綱風速增大，偏差逐漸減小。兩豎向振動方式對應的導數(shù)值在U/fB＜7時的差異很小，但隨無量綱風速增大，導數(shù)值間的差異突然增大，風軸y向?qū)獙?shù)值明顯小于體軸y向識別值，這一現(xiàn)象與矩形截面26.6°風攻角時類似。對于導數(shù)，在無量綱風速較小時，振動形態(tài)導致的導數(shù)間的差異較小，但在U/fB＞8后，導數(shù)間的偏差隨無量綱風速增加不斷增大，且風軸y向識別值整體小于體軸y向?qū)?shù)值。氣動導數(shù)僅在U/fB=7～16區(qū)間受振動方式的影響較大，這與矩形截面26.6°風攻角時表現(xiàn)出的規(guī)律相似。

圖5 攻角26.6°下H型截面氣動導數(shù)Fig.5 Aerodynamic derivatives of H-section at 26.6°

4 結(jié)論

本文基于三自由度強迫振動裝置，模擬了大攻角下實際結(jié)構(gòu)的彎曲振動形態(tài)，并以矩形和H型截面為研究對象，對比分析了彎曲運動形態(tài)對、、、等4個氣動導數(shù)的影響，得到如下結(jié)論:

(2)豎向振動形態(tài)對氣動導數(shù)的影響與風攻角和截面形式均有較大關(guān)系。

(3)總的看來，試驗中豎向振動方式的差異對氣動導數(shù)存在明顯影響，大攻角下有必要采用與實際一致的體軸y向振動來識別氣動導數(shù)。

本文主要探討了豎向振動方式對典型鈍體斷面氣動導數(shù)的影響，后續(xù)研究中將逐漸考慮其它截面形式，并進一步研究其對顫振臨界風速及失穩(wěn)形態(tài)的影響。

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