主动格栅紊流场对典型主梁颤振导数影响的研究.doc

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1、主动格栅紊流场对典型主梁颤振导数影响的研究李春光1，陈政清2(基金项目：国家自然科学基金资助项目(51208067);土木工程防灾国家重点实验室开发基金资助（KLWRTBMC）湖南省重点学科创新项目资助；作者简介：李春光(1980-)，男，博士，讲师，硕士生导师，主要从事桥梁风致振动研究。Email:mrlcg@126.com.长沙理工大学,土木与建筑学院桥梁工程系，湖南长沙4101142.湖南大学,风工程试验研究中心,湖南长沙410114)摘要：为研究紊流积分尺度对桥梁颤振导数的影响，选取了理想平板、流线型箱梁以及高宽比1:6矩形断面三种气动外形渐变的典型断面，采用主动格栅模拟了二维大积

2、分尺度紊流场，利用强迫振动装置测试了主动格栅紊流场中三种断面节段模型的颤振导数，并与均匀流场试验值进行了对比。试验结果表明，紊流积分尺度对颤振导数的影响随断面钝化逐渐减弱。主动格栅二维紊流对流线型断面颤振导数影响较小，无明显趋势性变化；对钝体矩形断面影响显著，并且随折减风速增加而加剧，其气动阻尼项导数A*2由正向负衰减显著，有利于改善结构颤振性能。关键词：紊流；积分尺度；颤振导数；强迫振动0引言随着桥梁跨径的不断增大，桥梁结构愈发向轻柔化发展，对风的敏感性日益增强。空气动力稳定已成为大跨度桥梁建设的控制性因素。作为桥梁空气动力稳定问题中能够直接导致灾难性损毁后果的颤振失稳是在大跨度桥梁建设

3、中绝对禁止发生的[1]。目前桥梁颤振分析框架基本建立在Scanlan教授提出的线性气动自激力表达式基础之上，Scanlan教授通过拟合风洞试验结果将自激力表示为颤振导数与主梁速度及位移的线性表达，其中颤振导数描述为仅与主梁外形及平均风速有关的气动参数，没有考虑来流中紊流脉动成分对颤振导数的影响[2]。然而实际大气来流中的紊流是时刻存在的，紊流对桥梁颤振稳定性能的影响十分复杂。Scanlan教授曾认为，紊流丰富的脉动成分能够激发结构的多阶振型，多阶振型之间的气动耦合作用会起到一定耗能作用延迟颤振的发生[3,4]。Lin,Bucher通过理论分析发现紊流的存在会降低单个振型的稳定性，导致颤振的

4、提前发生；另一方面紊流能够使振动能量从容易失稳的振型向较稳定振型转移，从而延迟颤振的发生[5,6]。由于主梁颤振导数直接体现了自激力的特性，紊流场中颤振导数的变化一定程度上将反应紊流场对颤振稳定的影响。因此许多研究者从紊流场中颤振导数的变化来研究紊流风场对气动稳定性的影响。ScanlanandLin等利用分状态节段模型自由振动试验测试发现紊流风场与均匀流场相比，主梁颤振导数变化趋势相同，数值略有增大但不超过15%[3]。Diana等通过在实桥上测试大气紊流中主梁的颤振导数，认为紊流对颤振导数影响甚微[7]。Matsumoto等对不同宽高比H型断面进行试验研究，发现紊流对其断面颤振导数的影响

5、随宽高比的改变而不同[8]。Sarkar通过MITD方法处理紊流风场气动力数据，得到紊流场对颤振导数影响微小，紊流并不通过颤振导数来影响自激力的结论[9]。顾明、张若雪、秦仙蓉等研究紊流风场颤振导数也得到了对流线型断面影响较小的结论[10,11]。王丽娟、林志兴等风洞中被动格栅紊流研究了紊流对不同桥梁断面颤振导数的影响，其结果显示紊流对流线型断面的颤振导数影响反而比钝体断面显著[12]。Larose等通过格栅紊流场以及边界层紊流场中大带东颤振导数识别结果的对比，发现除了紊流强度之外，其他紊流特性参数，尤其积分尺度将会对颤振导数产生显著影响[13]。从以上研究可以发现，紊流风场对颤振导数影响

6、的研究结论不尽相同，甚至有些结论截然相反，因此紊流风场对主梁断面颤振导数的影响规律尚有待深入研究。另外需要注意的是在以往紊流场对颤振导数影响的研究过程中，由于风洞试验中被动格栅紊流场模拟方法本身的限制，紊流积分尺度的模拟往往显著偏小，难以满足要求。往往仅对紊流强度及其竖向分布剖面进行了相似模拟，而对于紊流积分尺度未引起足够重视。相对于紊流风场模拟的被动格栅法，主动格栅法虽然成本较高，方法较复杂，但是却能够实现大紊流积分尺度的模拟，克服了被动格栅紊流模拟的缺点。本文通过主动格栅法模拟二维大积分尺度紊流场，解决了传统紊流场被动模拟方法积分尺度受限的问题，进而通过强迫振动装置对紊流场中典型断面节

7、段模型的颤振导数进行了研究，分析了主动格栅大积分尺度紊流场中不同断面颤振导数变化规律。1桥梁颤振导数的数学模型及强迫振动识别法1.1颤振导数模型仅考虑主梁所受的气动自激力情况下，节段模型两自由度运动方程可表示为：(1-a)(1-b)式中：和分别表示节段模型单位长度质量和质量惯矩，、代表竖弯、扭转振动圆频率，，分别为竖弯和扭转振动阻尼比，，分别代表作用在模型上的气动自激力和力矩，气动自激力通常采用Scanlan教授提出的下