平行分离双幅桥气动导数识别的混合强迫振动试验法

    周奇　朱乐东　周成　郭震山

    

    

    

    摘要：自由振动试验法（FreeV法）用于平行分离双幅桥气动导数识别时，由于人工初始激励不同，节段模型产生的气动干扰不同，进而导致气动导数识别结果规律性差，识别数据离散性大。为此，提出了混合强迫振动试验法（MFV法），并对比分析了MFV法和FreeV法识别出的气动導数，以及基于MFV法和FreeV法的二维颤振分析结果与节段模型测试结果。研究结果表明：无论是上游桥还是下游桥，MFV法识别的气动导数均离散性较小，随折算风速的变化规律明确；而FreeV法识别的气动导数离散性较大，随折算风速的变化规律较差，尤其是受气动干扰效应影响较大的下游桥；基于MFV法预测的颤振临界风速与节段模型测试结果较为接近，而基于FreeV法预测的颤振临界风速与节段模型测试结果的偏差较大，尤其是下游桥，偏差更为显著；相比于FreeV法，MFV法能更为准确地模拟平行分离双幅桥的气动干扰效应，其颤振预测结果更准确。

    关键词：平行分离双幅桥；气动导数；混合强迫振动试验法；自由振动试验法；颤振临界风速

    引言

    社会发展日新月异，大跨度桥梁需要承担的交通量也越来越大，从早期的2车道发展到8车道，即便如此仍然难以满足日益增长的交通需求。为了能够提供更大的通行能力，同时又避免单幅桥过宽的问题，平行双幅桥应运而生。平行双幅桥由于上下幅桥面相距较近，气流流经时会产生复杂的气动干扰效应，对大桥的静动力抗风性能产生一定的影响。早在上个世纪90年代，Akihiro Honda就对三幅相互平行的连续箱梁桥进行了气动稳定性研究，结果表明桥面之问的气动干扰对桥梁的静动力特性都有明显影响。此后，Sarkar，Irwin，Kimura，陈政清、朱乐东、周奇等也对平行双幅桥的气动干扰效应做了一定程度的研究，研究表明气动干扰效应与桥面问距和来流风向有关，其产生机理十分复杂，在大跨度桥梁抗风性能分析中不可忽略。

    自从scanlan提出气动自激力模型之后，气动导数就成为了大跨度桥梁颤振和抖振分析的重要参数，精确识别气动导数成为颤振和抖振分析的关键。桥梁断面的气动导数通常可以通过节段模型风洞试验来识别，按照模型的振动情况，试验方法可以分为两类：自由振动法和强迫振动法。自由振动法由于试验装置简单且成本低得到了广泛的应用，但强迫振动法也具有其优点：（1）试验数据的重复性好。自由振动法需要进行初始激励，而不同的初始激励作用下，模型振动的形式和幅度大小会不同，进而导致试验数据差异性较大。而强迫振动具有确定性的振动幅度和频率，数据差异性小；（2）高风速下的识别精度仍可得到保证。在高风速下，自由振动法的竖弯模态振动信号迅速衰减，其在自由振动中的参与程度已经很小，从而带来识别精度明显下降，而强迫振动不存在此问题；（3）振动参数可控可调易于研究。自由振动法中不易改变模型振动频率、振幅和相位差，而强迫振动可精确调整这些参数；（4）可直接获得气动自激力，避免了系统识别带来的偏差。自由振动法需要通过系统识别获得振动模态、频率、阻尼比等振动参数问接推算气动自激力，而强迫振动法可以直接测定自激力。

    虽然国内外学者对平行双幅桥的气动干扰效应做了一定程度的研究，如气动干扰对气动导数的影响，但大都采用的自由振动法识别平行双幅桥气动导数。然而，自由振动法识别出的气动导数往往离散性较大，试验的可重复性也差。为此，本文以天津塘沽海河大桥为工程背景，在原有三自由度强迫振动装置和识别理论基础上，提出了混合强迫振动试验法，对天津塘沽海河大桥的气动导数进行识别，并将识别结果与自由振动法识别结果进行了对比。