土木工程博士论文-桥梁断面气动导数识别的三自由度强迫振动法

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1、申请同济大学工学博士学位论文桥梁断面气动导数识别的三自由度强迫振动法(上海市重点学科建设项目资助)培养单位：土木工程学院桥梁工程系一级学科：土木工程二级学科：桥梁与隧道工程研究生：郭震山指导教师：项海帆教授朱乐东研究员二Oo六年一月摘要气动导数是描述主梁断面气动性能的重要参数，在大跨度桥梁颤振和抖振分析过程中起着至关重要的作用。气动导数一般通过节段模型风洞试验获得。按照振动驱动机制不同，节段模型试验方法可分为自由振动法和强迫振动法两大类。与自由振动法相比，强迫振动法具有响应信号的信噪比大，气动导数识别结果离散度小，精度高，对应折减风速范围宽等优点。但由于所需试验

2、设备复杂、一次性投资大等原因，强迫振动法一直没有得到深入的研究，目前还处于两自由度水平，识别理论还不完善，识别结果也不太理想。鉴于这种状况，本文从识别理论和试验技术两个方面对强迫振动法进行了深入的研究，主要内容如下：开发研制了节段模型三自由度耦合强迫振动装置，该装置既可使节段模型沿竖向、侧向或扭转方向作可控的单自由度简谐强迫振动，又可沿任意两个或三个方向作可控的两自由度或三自由度耦合强迫振动。将分状态强迫振动频域法从竖弯和扭转两个自由度的水平拓展到了竖弯、扭转和侧弯三个自由度的水平，首次实现了用三自由度分状态强迫振动频域法对18个气动导数的识别。提出了三自由度耦

3、合状态强迫振动频域法。通过使节段模型沿竖向、侧向和扭转方向作不同频率的耦合振动，仅需一次试验就可获得所有18个气动导数。发现了节段模型实际强迫振动频率与预设频率之间的小量偏差是降低频域法识别精度的主要原因之一，为此对试验技术进行了相应的改进，在对超长预试验振动信号进行精确频率分析的基础上，对模型振动频率进行微调，达到有效降低上述频率偏差的目的，从而使频域法的气动导数识别精度得到了明显提高。在对加速度时程信号进行数值积分求解速度和位移时程的问题上，提出了确定初始速度和初始位移的新方法，并集合样条函数积分、椭圆数字滤波，双向滤波技术等数字信号处理技术，建立了一个可以

4、得到精确可靠的速度和位移时程信号的处理方法，避免了目前利用振动参数生成速度和位移信号所带来的误差。通过对动荷载成分的研究，提出了全新的高精度自激力时程获取方法，为建立完善的强迫振动时域气动导数识别方法奠定了基础。该方法摒弃了之前将特定风速与零风速下节段模型所受动荷载按对应相位简单相减得到自激力时摘要程的做法，首先利用零风速下节段模型动荷载及振动信号求解等效阻尼系数和等效惯性系数，然后在特定风速下利用这些系数和模型实时振动信号求得高精度的自激力时程信号。结合上述获取速度和位移时程、以及自激力时程的新方法，建立了具有较高精度的三自由度分状态强迫振动时域法和三自由度耦

5、合状态强迫振动时域法。前者首次实现了用三自由度分状态强迫振动时域法对18个气动导数的识别，而后者则率先实现了通过一次祸合状态强迫振动试验和时域识别方法获得18个气动导数的目标。通过数值仿真算例和薄平板模型试验对本文所发展或建立的四种强迫振动气动导数识别方法、试验技术和相应的识别程序的可靠性进行了验证，并把它们应用于两种典型桥梁断面气动导数的识别上，取得了满意的结果。从试验工作量、试验难度、气动导数识别精度、离散度等方面对上述四种强迫振动气动导数识别方法进行了综合对比研究，提出了耦合状态时域法为首选方法的建议。通过比较分状态及耦合状态强迫振动法的气动导数识别结果，

6、发现振动形态对于主要气动导数的影响可以忽略不计。关键词：气动导数，参数识别，节段模型，风洞试验，三自由度，强迫振动，分状态，耦合状态，频域，时域AbsttactABSTRACTAsakindofimportantparametersdescribingtheaerodynamicpropertiesofbridgedecks，aerodynamicderivativesareessentialandexegagreatroleinpredictingtheflutterandbuffetingperformancesoflong—spanbridges．Inpr

7、actice，theaerodynamicderivativesareoftenobtainedviawind-tunneltestsofsectionalmodel．Accordingtodifferentdrivingwaysofvibration,thesectionalmodeltestmethodscanbeclassifiedintotwomajorcmegories．i．e．free-vibrationmethodandforced-vibrationmethod．Comparedtothefree—vibrationmethod，theforce

8、d-vibrationm