平行分離雙幅橋氣動導數識別的混合強迫振動試驗法

周奇　朱樂東　周成　郭震山

摘要：自由振動試驗法（FreeV法）用于平行分離雙幅橋氣動導數識別時，由于人工初始激勵不同，節段模型產生的氣動干擾不同，進而導致氣動導數識別結果規律性差，識別數據離散性大。為此，提出了混合強迫振動試驗法（MFV法），并對比分析了MFV法和FreeV法識別出的氣動導數，以及基于MFV法和FreeV法的二維顫振分析結果與節段模型測試結果。研究結果表明：無論是上游橋還是下游橋，MFV法識別的氣動導數均離散性較小，隨折算風速的變化規律明確；而FreeV法識別的氣動導數離散性較大，隨折算風速的變化規律較差，尤其是受氣動干擾效應影響較大的下游橋；基于MFV法預測的顫振臨界風速與節段模型測試結果較為接近，而基于FreeV法預測的顫振臨界風速與節段模型測試結果的偏差較大，尤其是下游橋，偏差更為顯著；相比于FreeV法，MFV法能更為準確地模擬平行分離雙幅橋的氣動干擾效應，其顫振預測結果更準確。

關鍵詞：平行分離雙幅橋；氣動導數；混合強迫振動試驗法；自由振動試驗法；顫振臨界風速

引言

社會發展日新月異，大跨度橋梁需要承擔的交通量也越來越大，從早期的2車道發展到8車道，即便如此仍然難以滿足日益增長的交通需求。為了能夠提供更大的通行能力，同時又避免單幅橋過寬的問題，平行雙幅橋應運而生。平行雙幅橋由于上下幅橋面相距較近，氣流流經時會產生復雜的氣動干擾效應，對大橋的靜動力抗風性能產生一定的影響。早在上個世紀90年代，Akihiro Honda就對三幅相互平行的連續箱梁橋進行了氣動穩定性研究，結果表明橋面之問的氣動干擾對橋梁的靜動力特性都有明顯影響。此后，Sarkar，Irwin，Kimura，陳政清、朱樂東、周奇等也對平行雙幅橋的氣動干擾效應做了一定程度的研究，研究表明氣動干擾效應與橋面問距和來流風向有關，其產生機理十分復雜，在大跨度橋梁抗風性能分析中不可忽略。

自從scanlan提出氣動自激力模型之后，氣動導數就成為了大跨度橋梁顫振和抖振分析的重要參數，精確識別氣動導數成為顫振和抖振分析的關鍵。橋梁斷面的氣動導數通常可以通過節段模型風洞試驗來識別，按照模型的振動情況，試驗方法可以分為兩類：自由振動法和強迫振動法。自由振動法由于試驗裝置簡單且成本低得到了廣泛的應用，但強迫振動法也具有其優點：（1）試驗數據的重復性好。自由振動法需要進行初始激勵，而不同的初始激勵作用下，模型振動的形式和幅度大小會不同，進而導致試驗數據差異性較大。而強迫振動具有確定性的振動幅度和頻率，數據差異性?。唬?）高風速下的識別精度仍可得到保證。在高風速下，自由振動法的豎彎模態振動信號迅速衰減，其在自由振動中的參與程度已經很小，從而帶來識別精度明顯下降，而強迫振動不存在此問題；（3）振動參數可控可調易于研究。自由振動法中不易改變模型振動頻率、振幅和相位差，而強迫振動可精確調整這些參數；（4）可直接獲得氣動自激力，避免了系統識別帶來的偏差。自由振動法需要通過系統識別獲得振動模態、頻率、阻尼比等振動參數問接推算氣動自激力，而強迫振動法可以直接測定自激力。

雖然國內外學者對平行雙幅橋的氣動干擾效應做了一定程度的研究，如氣動干擾對氣動導數的影響，但大都采用的自由振動法識別平行雙幅橋氣動導數。然而，自由振動法識別出的氣動導數往往離散性較大，試驗的可重復性也差。為此，本文以天津塘沽海河大橋為工程背景，在原有三自由度強迫振動裝置和識別理論基礎上，提出了混合強迫振動試驗法，對天津塘沽海河大橋的氣動導數進行識別，并將識別結果與自由振動法識別結果進行了對比。