大跨雙幅橋梁新型同步氣彈-測壓風洞試驗研究

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）

受氣動干擾效應的影響，雙幅橋梁可能出現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雜的非線性和非定常的“雙非\"特性，因此，通過風洞試驗直接同步測量自激力和響應時程是建立結構振動與流場反饋（即振動反饋效應）規律數學模型的最佳方法[2。筆者研發了一種新型同步氣彈-測壓風洞試驗技術，并利用該技術系統研究雙幅橋梁氣動干擾效應的非線性氣動作用機制，填補了該試驗技術的空白。

新型氣彈測壓測量系統基于IEEE1588時鐘同步協議開發，系統架構和測量儀器組成如圖1所示，可實現ns級精確多通道異構數據同步測量。與傳統外部時鐘源同步系統相比，新系統允許任意選擇一臺采集儀的內部時鐘作為主控時鐘，通過網絡交換機即可連接并同步多臺采集器，極大地簡化了系統架構，降低了開發成本和難度，并提高了不同設備間的兼容性和數據采集精度。

基于新型同步氣彈-測壓試驗系統開展大跨度雙幅橋氣動干擾效應試驗研究。節段模型基本尺寸：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嘴實現。氣彈模型用彈簧固定在壁面導軌上，通過移動彈簧固定位置調整模型間距。單個模型總質量 M 為 11.13kg （含掃描閥、測壓管線及彈簧等效質量）。上下游橋面模型采用相同的機械參數，豎彎和扭轉頻率分別為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部，掃描閥由兩條數據線纜從模型兩端連接到采集儀。風致振動響應則由剛臂兩側對稱安裝的激光位移計同步記錄。同步測量系統采樣頻率為 500Hz ，每次測量持續 40s 。

通過靜風條件下的強迫振動-測壓試驗驗證新測量系統的同步性能，測量結果如圖3所示。結果表明，位移信號與壓力信號同步振蕩，表明結構振動與表面壓力信號能精準同步采集。

同步氣彈-測壓試驗考慮了截面形式、橋面間距c 來流風速 U_∞ 、風攻角 α 四個關鍵參數，試驗參數如表1所示。

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

與傳統試驗方法相比，該同步氣彈-測壓測量系統具有高精度、良好數據同步性和強擴展性等優點，能高精度同步測量非定常壓力和振動響應，適用于研究結構振動與氣流的雙向流固耦合規律，以構建非線性自激力模型。該系統為高層建筑和大跨橋梁等風敏感結構的氣動彈性研究及抗風設計提供了先進的試驗技術支持。

參考文獻

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（編輯胡英奎）