平行分離雙幅橋氣動導(dǎo)數(shù)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(dǎo)數(shù)識別時，由于人工初始激勵不同，節(jié)段模型產(chǎn)生的氣動干擾不同，進而導(dǎo)致氣動導(dǎo)數(shù)識別結(jié)果規(guī)律性差，識別數(shù)據(jù)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(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)段模型測試結(jié)果。研究結(jié)果表明：無論是上游橋還是下游橋，MFV法識別的氣動導(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法識別的氣動導(dǎo)數(shù)離散性較大，隨折算風(fēng)速的變化規(guī)律較差，尤其是受氣動干擾效應(yīng)影響較大的下游橋；基于MFV法預(yù)測的顫振臨界風(fēng)速與節(jié)段模型測試結(jié)果較為接近，而基于FreeV法預(yù)測的顫振臨界風(fēng)速與節(jié)段模型測試結(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干擾效應(yīng)，其顫振預(yù)測結(jié)果更準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：平行分離雙幅橋；氣動導(dǎo)數(shù)；混合強迫振動試驗法；自由振動試驗法；顫振臨界風(fēng)速

引言

社會發(fā)展日新月異，大跨度橋梁需要承擔(dān)的交通量也越來越大，從早期的2車道發(fā)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(yīng)運而生。平行雙幅橋由于上下幅橋面相距較近，氣流流經(jīng)時會產(chǎn)生復(fù)雜的氣動干擾效應(yīng)，對大橋的靜動力抗風(fēng)性能產(chǎn)生一定的影響。早在上個世紀(jì)90年代，Akihiro Honda就對三幅相互平行的連續(xù)箱梁橋進行了氣動穩(wěn)定性研究，結(jié)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(yīng)做了一定程度的研究，研究表明氣動干擾效應(yīng)與橋面問距和來流風(fēng)向有關(guān)，其產(chǎn)生機理十分復(fù)雜，在大跨度橋梁抗風(fēng)性能分析中不可忽略。

自從scanlan提出氣動自激力模型之后，氣動導(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)，精確識別氣動導(dǎo)數(shù)成為顫振和抖振分析的關(guān)鍵。橋梁斷面的氣動導(dǎo)數(shù)通?？梢酝ㄟ^節(jié)段模型風(fēng)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(yīng)用，但強迫振動法也具有其優(yōu)點：（1）試驗數(shù)據(jù)的重復(fù)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(dǎo)致試驗數(shù)據(jù)差異性較大。而強迫振動具有確定性的振動幅度和頻率，數(shù)據(jù)差異性小；（2）高風(fēng)速下的識別精度仍可得到保證。在高風(fēng)速下，自由振動法的豎彎模態(tài)振動信號迅速衰減，其在自由振動中的參與程度已經(jīng)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(shù)可控可調(diào)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(diào)整這些參數(shù)；（4）可直接獲得氣動自激力，避免了系統(tǒng)識別帶來的偏差。自由振動法需要通過系統(tǒng)識別獲得振動模態(tài)、頻率、阻尼比等振動參數(shù)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(nèi)外學(xué)者對平行雙幅橋的氣動干擾效應(yīng)做了一定程度的研究，如氣動干擾對氣動導(dǎo)數(shù)的影響，但大都采用的自由振動法識別平行雙幅橋氣動導(dǎo)數(shù)。然而，自由振動法識別出的氣動導(dǎo)數(shù)往往離散性較大，試驗的可重復(fù)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(chǔ)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(dǎo)數(shù)進行識別，并將識別結(jié)果與自由振動法識別結(jié)果進行了對比。