劉慕廣,陳政清
(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院 亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室,廣州 510641;2.湖南大學(xué) 風(fēng)工程試驗研究中心,長沙 410082)
顫振現(xiàn)象是由作用在結(jié)構(gòu)上的氣動自激力引起的,正確描述結(jié)構(gòu)受到的氣動自激力,是研究橋梁結(jié)構(gòu)顫振失穩(wěn)現(xiàn)象的前提與關(guān)鍵所在。自Scanlan提出用氣動導(dǎo)數(shù)表示的自激力模型后,采用基于自由振動或強迫振動的風(fēng)洞試驗提取結(jié)構(gòu)的氣動導(dǎo)數(shù)進行顫振分析的方法得到廣泛的應(yīng)用。氣動導(dǎo)數(shù)作為大跨度橋梁顫振分析中的重要參數(shù),其識別精度會對分析結(jié)果產(chǎn)生顯著影響,所以目前很多學(xué)者[1-2]在識別方法上進行了較多的研究工作。Scanlan自激力模型中假定氣動導(dǎo)數(shù)僅是無量綱風(fēng)速的函數(shù),且由斷面形狀唯一確定。Matsumoto等[3]在研究了不同振動形態(tài)的兩矩形截面的氣動導(dǎo)數(shù)后指出,鈍體截面較流線型截面更易受到振動形態(tài)的影響。Noda等[4]研究了兩組高寬比的矩形斷面的氣動導(dǎo)數(shù)后指出,豎向振幅的變化對氣動導(dǎo)數(shù)無明顯影響。以上研究中多未考慮攻角因素,而僅針對0°攻角進行分析?,F(xiàn)有研究表明,處于山區(qū)復(fù)雜地形及峽谷地帶的橋梁風(fēng)場受局部地形的影響十分劇烈,所受的來流風(fēng)攻角有可能達到10°或更大[5-6]。在大攻角下,振動方式對結(jié)構(gòu)氣動導(dǎo)數(shù)的影響會異于0°攻角,本文通過強迫振動試驗法,分別以矩形與H型這兩種典型鈍體斷面為對象,對大攻角下振動形態(tài)差異對氣動導(dǎo)數(shù)的影響這一問題進行了初步的探討。
常規(guī)風(fēng)洞試驗中在獲取不同攻角的氣動導(dǎo)數(shù)時,常采用旋轉(zhuǎn)模型或懸掛裝置的方式實現(xiàn)攻角變化,如圖1所示。試驗中模型的豎向振動方向一般為風(fēng)軸y向,與實際結(jié)構(gòu)風(fēng)振時沿體軸y向的振動形態(tài)存在一個夾角α(即攻角α),這種差異必然會對氣動導(dǎo)數(shù)產(chǎn)生一定影響。顯然,隨攻角的增大,常規(guī)試驗與實際風(fēng)振豎向振動形態(tài)的差異就越大。
圖1 攻角變化示意圖Fig.1 Attack angle changes schematic
圖2 試驗中的矩形斷面Fig.2 Rectangular section in the test
首先以寬高比為1.24的矩形截面為對象,該模型長1 400 mm,寬與高分別為207 mm和167 mm。試驗中驅(qū)動模型以風(fēng)軸y向與x向的同頻(f=1.8 Hz)同相位運動,振動幅值分別為20 mm和4 mm,模擬了11.3°攻角下體軸y向運動,對應(yīng)的4個氣動導(dǎo)數(shù)值如圖3所示。另外,圖中同時給出了模型以f=1.8 Hz,風(fēng)軸y向20 mm振幅運動時識別出的氣動導(dǎo)數(shù)。
圖3 攻角11.3°下矩形截面氣動導(dǎo)數(shù)Fig.3 Aerodynamic derivatives of rectangular section at 11.3°
圖4 攻角26.6°下矩形截面氣動導(dǎo)數(shù)Fig.4 Aerodynamic derivatives of rectangular section at 26.6°
為了進一步分析更大風(fēng)攻角下豎向振動形態(tài)對各氣動導(dǎo)數(shù)的影響,試驗中驅(qū)動模型以風(fēng)軸y向16 mm振幅與風(fēng)軸x向8 mm振幅的同頻(f=1.8 Hz)同相位運動,模擬了26.6°攻角下體軸y向運動,識別了對應(yīng)的4個氣動導(dǎo)數(shù),如圖4所示。另外,圖中同時給出了模型以f=1.8 Hz,風(fēng)軸y向16 mm振幅運動時識別出的氣動導(dǎo)數(shù)。
由以上兩個攻角下矩形截面氣動導(dǎo)數(shù)的分析可見,豎向振動形態(tài)對、、三個導(dǎo)數(shù)存在顯著的影響,但對導(dǎo)數(shù)影響較小。振動形態(tài)對各氣動導(dǎo)數(shù)的影響各異,且攻角不同,影響規(guī)律也不盡相同。
為了進一步分析其它截面氣動導(dǎo)數(shù)受豎彎振動形態(tài)的影響程度,試驗中又選取一H型截面為研究對象,分別識別了其在風(fēng)軸y向與體軸y向運動時的氣動導(dǎo)數(shù)。該模型長1.4 m,寬30 cm,高12.5 cm,相應(yīng)的寬高比為2.4。模型以風(fēng)軸y向16 mm振幅與風(fēng)軸x向8 mm振幅的同頻(f=1.8 Hz)同相位運動來模擬26.6°風(fēng)攻角下體軸y向運動,識別了對應(yīng)的4個氣動導(dǎo)數(shù),如圖5所示。另外,圖中同時給出了模型以風(fēng)軸y向16 mm振幅運動時識別出的氣動導(dǎo)數(shù)。
由圖5中可見,振動形態(tài)對H型斷面各氣動導(dǎo)數(shù)仍然存在較大程度的影響。對于導(dǎo)數(shù),風(fēng)軸y向振動下識別值較體軸y向識別值整體偏大,在U/fB=7附近差異達到最大,隨無量綱風(fēng)速增大,偏差逐漸減小。兩豎向振動方式對應(yīng)的導(dǎo)數(shù)值在U/fB<7時的差異很小,但隨無量綱風(fēng)速增大,導(dǎo)數(shù)值間的差異突然增大,風(fēng)軸y向?qū)?yīng)導(dǎo)數(shù)值明顯小于體軸y向識別值,這一現(xiàn)象與矩形截面26.6°風(fēng)攻角時類似。對于導(dǎo)數(shù),在無量綱風(fēng)速較小時,振動形態(tài)導(dǎo)致的導(dǎo)數(shù)間的差異較小,但在U/fB>8后,導(dǎo)數(shù)間的偏差隨無量綱風(fēng)速增加不斷增大,且風(fēng)軸y向識別值整體小于體軸y向?qū)?shù)值。氣動導(dǎo)數(shù)僅在U/fB=7~16區(qū)間受振動方式的影響較大,這與矩形截面26.6°風(fēng)攻角時表現(xiàn)出的規(guī)律相似。
圖5 攻角26.6°下H型截面氣動導(dǎo)數(shù)Fig.5 Aerodynamic derivatives of H-section at 26.6°
本文基于三自由度強迫振動裝置,模擬了大攻角下實際結(jié)構(gòu)的彎曲振動形態(tài),并以矩形和H型截面為研究對象,對比分析了彎曲運動形態(tài)對、、、等4個氣動導(dǎo)數(shù)的影響,得到如下結(jié)論:
(2)豎向振動形態(tài)對氣動導(dǎo)數(shù)的影響與風(fēng)攻角和截面形式均有較大關(guān)系。
(3)總的看來,試驗中豎向振動方式的差異對氣動導(dǎo)數(shù)存在明顯影響,大攻角下有必要采用與實際一致的體軸y向振動來識別氣動導(dǎo)數(shù)。
本文主要探討了豎向振動方式對典型鈍體斷面氣動導(dǎo)數(shù)的影響,后續(xù)研究中將逐漸考慮其它截面形式,并進一步研究其對顫振臨界風(fēng)速及失穩(wěn)形態(tài)的影響。
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