潘 韜,趙 林,曹曙陽,葛耀君,S.Ozono

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092;2.Department of Physics,Miyazaki University,Miyazaki 889-2155 Japan)

0 引 言

對于主跨達(dá)到800m斜拉橋和1500m懸索橋等超大跨度橋梁,基于精細(xì)化研究思路描述氣動(dòng)力荷載的相關(guān)參數(shù)(包括靜風(fēng)力系數(shù)、顫振導(dǎo)數(shù)和氣動(dòng)導(dǎo)納),風(fēng)洞試驗(yàn)識別理論和技術(shù)方法的研究已成為大跨度橋梁抗風(fēng)性能研究的關(guān)鍵技術(shù),其中靜風(fēng)力系數(shù)和顫振導(dǎo)數(shù)識別工作,國內(nèi)外已取得較好的研究進(jìn)展,而與結(jié)構(gòu)氣動(dòng)力作用時(shí)頻轉(zhuǎn)換和空間相關(guān)性密切聯(lián)系的隨機(jī)抖振理論尚未突破流線型斷面的理論框架,尤其是關(guān)于積分尺度荷載效應(yīng)和來流湍流及特征湍流非線性效應(yīng)的研究基本上處于空白狀態(tài)。

對于隨機(jī)抖振氣動(dòng)力荷載作用模式及規(guī)律的相關(guān)研究不足主要表現(xiàn)在：對于描述特定橋梁斷面,對于不同來流頻率成份有選擇放縮的氣動(dòng)力準(zhǔn)定常修正項(xiàng)的氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù),工程應(yīng)用中常假定氣動(dòng)導(dǎo)納的上限值為1、下限值為薄平板斷面的Sear函數(shù),而基于氣動(dòng)導(dǎo)納這兩種取值的計(jì)算結(jié)果可以導(dǎo)致1倍左右的計(jì)算誤差;由于導(dǎo)納識別算法推導(dǎo)過程引入諸多近似假定和風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備測試精度及來流輸入條件,如：積分尺度等參數(shù)無法準(zhǔn)確控制等問題,相同氣動(dòng)外形橋梁斷面所識別的導(dǎo)納函數(shù)差別較大,且難于再現(xiàn)經(jīng)典剛性機(jī)翼斷面Sears函數(shù)解析結(jié)果,多數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)氣動(dòng)導(dǎo)納識別結(jié)果不具有明確的物理意義,難于驗(yàn)證其識別結(jié)果的有效性和合理性[1-4]。

針對上述問題,由改善大氣邊界層物理風(fēng)洞來流模擬條件入手,利用日本宮崎大學(xué)多風(fēng)扇主動(dòng)控制風(fēng)洞和高精度測力天平,初步探討了不同頻率和波長正弦來流作用下類平板斷面氣動(dòng)力荷載變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)條件和工作準(zhǔn)備

1.1 風(fēng)洞條件與試驗(yàn)設(shè)備

宮崎大學(xué)主動(dòng)風(fēng)洞是由99個(gè)獨(dú)立送風(fēng)機(jī)組成的直流式、多段可拼接主動(dòng)控制式風(fēng)洞,可有效地模擬來流平均風(fēng)和湍流度剖面效應(yīng),合理再現(xiàn)不同積分尺度來流正弦風(fēng)波和寬頻脈動(dòng)風(fēng)時(shí)程[5-7]。試驗(yàn)段寬2.538m×高1.804m,風(fēng)速可調(diào)范圍為0～15m/s,正弦風(fēng)速變動(dòng)上限9m/s來流風(fēng)速時(shí)風(fēng)速,變化幅值為±3.5m/s,最大波動(dòng)頻率為5Hz。節(jié)段模型氣動(dòng)力測量裝置采用三分量高精度小量程動(dòng)態(tài)高頻測力天平,天平兩個(gè)側(cè)向力(Fx,Fy)量程范圍為±20N,水平扭矩(Mz)為±2N?m,測量精度可達(dá)1‰。試驗(yàn)室配備了同步采集監(jiān)控與觸發(fā)裝置,可實(shí)時(shí)再現(xiàn)脈動(dòng)風(fēng)加載與模型氣動(dòng)力同步測量過程。宮崎大學(xué)11×9多風(fēng)扇主動(dòng)風(fēng)洞如圖1所示。類平板模型及測力系統(tǒng)安裝情況如圖2所示,試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭亓繛?60g,安裝后實(shí)測弱軸頻率為24Hz,強(qiáng)軸頻率為44Hz,對于該試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸逃蓄l率遠(yuǎn)大于正弦來流風(fēng)的主導(dǎo)頻率(0.2～4.0Hz),整個(gè)系統(tǒng)滿足動(dòng)態(tài)高頻測力試驗(yàn)的需要。

1.2 正弦來流湍流度定義

對于正弦來流條件下湍流度定義為：

式中,σ表示正弦來流風(fēng)速的均方根值,U(z)表示正弦來流平均風(fēng)速。

1.3 試驗(yàn)工況安排

為了系統(tǒng)地比較不同來流參數(shù)對作用在模型上氣動(dòng)力影響規(guī)律,對正弦來流加載條件,逐一比較來流平均風(fēng)速、波動(dòng)幅值和頻率、湍流度和積分尺度等參數(shù)組合情況的作用效果,表1列舉了不同正弦來流參數(shù)取值概況。

2 正弦來流模擬與氣動(dòng)力倍頻效應(yīng)

主動(dòng)風(fēng)扇加載的正弦脈動(dòng)風(fēng)隨吹風(fēng)距離存在明顯的衰減關(guān)系,這種衰減表現(xiàn)在脈動(dòng)風(fēng)幅值的變化,而對周期性的脈動(dòng)頻率影響不大,同時(shí)隨加載頻率的高低存在特殊的氣動(dòng)力荷載倍頻放大效應(yīng)。

圖1 宮崎大學(xué)11×9多風(fēng)扇主動(dòng)風(fēng)洞Fig.1 11×9 multiple fan active control wind tunnel in Miyazaki University

圖2 類平板模型及測力系統(tǒng)安裝情況Fig.2 Installation of model and measurement system in wind tunnel

表1 不同正弦來流參數(shù)組合情況列表T able 1 Combinations list for different sinusoidal flow parameters

2.1 低頻正弦來流模擬

風(fēng)洞入口段加載信號：U=6m/s、A=3m/s、f=0.6Hz=10m;試驗(yàn)段實(shí)測信號 ：U=6.38m/s、A=1.19m/s、f=0.60Hz=10.13m 、=0.38m 、Iu=13.24%、Iw=0.51%。

u向脈動(dòng)風(fēng)相比w向脈動(dòng)風(fēng)占有絕對優(yōu)勢,脈動(dòng)能量之比約1200∶1關(guān)系;主要試驗(yàn)現(xiàn)象表現(xiàn)為u向脈動(dòng)風(fēng)單一卓越頻率對應(yīng)順風(fēng)向和橫風(fēng)向氣動(dòng)力各單一卓越頻率。

2.2 高頻正弦來流模擬

風(fēng)洞入口段加載信號：U=6m/s、A=3m/s、f=2Hz、=3m;試驗(yàn)段實(shí)測信號：U=6.43m/s、A=0.43m/s、f=2.00Hz=3.05m 、=1.44m 、Iu=4.74%、Iw=0.78%。

u和w向脈動(dòng)風(fēng)存在多階對應(yīng)峰值頻率,脈動(dòng)能量之比約40∶1關(guān)系;主要試驗(yàn)現(xiàn)象表現(xiàn)為u向脈動(dòng)風(fēng)單一卓越頻率對應(yīng)順風(fēng)向和橫風(fēng)向氣動(dòng)力各多階卓越頻率。

2.3 倍頻效應(yīng)數(shù)值模擬

圖3 低頻正弦脈動(dòng)風(fēng)加載流場與模型氣動(dòng)力效應(yīng)Fig.3 Low frequency sinusoidal fluctuating wind field and the model aerodynamic load effect

圖4 高頻正弦脈動(dòng)風(fēng)加載流場與模型氣動(dòng)力效應(yīng)Fig.4 High frequency sinusoidal fluctuating wind field and the model aerodynamic load effects

曹豐產(chǎn)[8]采用CFD方法計(jì)算分析正弦風(fēng)波來流條件對于橋梁斷面氣動(dòng)力作用模式及特點(diǎn)過程中,發(fā)現(xiàn)了氣動(dòng)力倍頻放大效應(yīng),計(jì)算模型數(shù)值邊界縱橫向尺度為橋梁斷面寬度的12～14倍。對于較為流線型的南京三橋主梁斷面(寬高比11.55∶1),1.0Hz加載脈動(dòng)風(fēng)波在氣動(dòng)力荷載譜中出現(xiàn)了幅值為一階主導(dǎo)頻率譜密度幅值的約0.1倍倍頻放大(如圖5所示),該結(jié)果與圖4(c)類平板模型2.0Hz加載頻率結(jié)果類似;對于偏鈍體氣動(dòng)外形的越南RachMieu大橋(寬高比7.10∶1),0.6Hz加載脈動(dòng)風(fēng)波出現(xiàn)了幅值為一階主導(dǎo)頻率譜密度幅值約0.5～0.1倍的多階倍頻放大,倍頻效應(yīng)更加明顯。初步確認(rèn)倍頻產(chǎn)生原因?yàn)檎壹虞d脈動(dòng)風(fēng)波傳遞至數(shù)值邊界壁面后產(chǎn)生的反射共振效應(yīng)。由此推論大氣邊界層物理風(fēng)洞亦不可避免同樣會(huì)出現(xiàn)此類似效應(yīng),導(dǎo)致在較高的共振反射頻段出現(xiàn)氣動(dòng)力荷載放大效應(yīng),處于該頻段的結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載效應(yīng)存在偏大趨勢。

圖5 南京三橋正弦脈動(dòng)風(fēng)加載模型氣動(dòng)力效應(yīng)Fig.5 Model of third bridge in Nanjing Yangtze River in sinusoidal fluctuating wind field and aerodynamic load effects

圖6 RachMieu大橋正弦脈動(dòng)風(fēng)加載模型氣動(dòng)力效應(yīng)Fig.6 Model of RachMieu bridge in sinusoidal fluctuating wind field and aerodynamic load effects

3 試驗(yàn)參數(shù)分析

3.1 離散頻率線性迭加分析

由正弦來流脈動(dòng)風(fēng)模擬可知,在較高的來流脈動(dòng)風(fēng)頻段存在明顯的倍頻放大效應(yīng),這種倍頻效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致部分來流脈動(dòng)風(fēng)頻段氣動(dòng)力荷載效應(yīng)線性迭加原理不成立,為了由單頻風(fēng)波進(jìn)一步分析寬帶脈動(dòng)風(fēng)氣動(dòng)力效應(yīng),需確認(rèn)氣動(dòng)力荷載線性迭加原理的有效頻段。如圖7所示,針對多風(fēng)扇主動(dòng)風(fēng)洞模擬的寬頻輸入(實(shí)心矩形點(diǎn)連線),可以由一系列不同頻率和波動(dòng)幅值的正弦風(fēng)波在多個(gè)頻段上模擬合成(空心多邊形點(diǎn)連線),需要指出的是由于在高頻段(＞4Hz)選取的正弦主導(dǎo)頻率較少,因此其和值與寬頻風(fēng)譜存在一定差距,因此分析中只取頻率2～4Hz范圍。如果輸入單頻風(fēng)波能量(同時(shí)包括u向和w向風(fēng)譜峰值)與寬頻脈動(dòng)風(fēng)較為一致,模型順風(fēng)向和橫風(fēng)向氣動(dòng)力單頻和寬頻對應(yīng)荷載能量吻合程度亦較高。分析過程從側(cè)面證實(shí)：(1)對于該項(xiàng)研究中的類平板斷面,在2～4Hz頻段范圍單頻風(fēng)波近似可滿足荷載效應(yīng)線性迭加原理;(2)為獲得與真實(shí)情況一致的氣動(dòng)力荷載效應(yīng),有必要增強(qiáng)主動(dòng)風(fēng)洞橫風(fēng)向(w向)脈動(dòng)特性模擬。

3.2 積分尺度荷載效應(yīng)

湍流積分尺度在結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載分析中具有不可忽略的意義,積分尺度的大小決定了脈動(dòng)風(fēng)對結(jié)構(gòu)的影響范圍。通常認(rèn)為：如果脈動(dòng)渦旋大到將某一結(jié)構(gòu)包含在內(nèi),則脈動(dòng)風(fēng)在結(jié)構(gòu)各個(gè)部位引起的動(dòng)荷載會(huì)疊加,反之,動(dòng)荷載可能相互抵消;即脈動(dòng)風(fēng)積分尺度越大,作用在結(jié)構(gòu)上的氣動(dòng)力荷載越明顯。對于此問題,可以作如下分析。如表2比較3種不同風(fēng)速和波動(dòng)幅值正弦來流條件,3種情況具有相同的來流脈動(dòng)頻率和相近的湍流度。按傳統(tǒng)的認(rèn)識,可初步判斷：工況Sin-1條件積分尺度最小,標(biāo)識脈動(dòng)風(fēng)能量的波動(dòng)幅值亦最小,可得出該工況來流條件作用于模型的氣動(dòng)力效應(yīng)會(huì)最小,工況Sin-2和Sin-3氣動(dòng)力荷載依次增大。對比主動(dòng)風(fēng)洞試驗(yàn)分析結(jié)果(如圖8,風(fēng)譜和力譜3種工況能量譜峰值比),發(fā)覺結(jié)論剛好相反,這意味著大的積分尺度不一定對應(yīng)較大的荷載效應(yīng),在寬帶湍流場中,亦有相同的結(jié)論[9];傳統(tǒng)理論考慮了平均渦旋所引起的湍流強(qiáng)度的不同,但由于結(jié)構(gòu)本身會(huì)對湍流各頻率成分所引起的荷載效應(yīng)有選擇性的放大或者縮小。積分尺度與模型寬度之比越大,氣動(dòng)力的非定常性越弱,當(dāng)積分尺度足夠大,氣動(dòng)力將為準(zhǔn)定?；蛲耆ǔ?。

表2 不同積分尺度來流條件參數(shù)Table 2 Wind field parameters with different integral length

3.3 湍流度荷載效應(yīng)

在眾多試驗(yàn)工況中選擇兩類工況,第一類如表3所示,第二類如表4所示。第一類為小湍流度條件(Iu≤5.0%),第二類為大湍流度條件(5.0%≤Iu≤30.0%),除風(fēng)速波動(dòng)幅值和湍流度外其它參數(shù)相近。

分析模型氣動(dòng)力荷載可知,對于上述兩類工況條件,順風(fēng)向和橫風(fēng)向氣動(dòng)力荷載均隨來流湍流度的增加而顯著遞增,順風(fēng)向氣動(dòng)力(阻力)譜峰值大小與來流湍流度大小基本成正比(如圖9);橫風(fēng)向氣動(dòng)力(升力)變化比例受來流湍流度絕對數(shù)值影響較大,表現(xiàn)為與來流湍流度遞增而加速荷載放大變化,如小湍流條件譜峰值比：L3/L2/L1=2.35/1.70/1.00,而大湍流條件峰值比：L3/L2/L1=9.39/4.56/1.00,體現(xiàn)出氣動(dòng)力變化的二次項(xiàng)附加荷載效應(yīng)特點(diǎn)(如圖10)。

表3 不同湍流度來流參數(shù)(小湍流度條件)Table 3 Wind field parameters with different turbulence intensity(small intensity)

圖9 小湍流條件湍流度效應(yīng)對于氣動(dòng)力影響比較Fig.9 Comparison of turbulence intensity impact on aerodynamic force under small intensity condition

圖10 大湍流條件湍流度效應(yīng)對于氣動(dòng)力影響比較Fig.10 Comparison of turbulence intensity impact on aerodynamic force under large intensity condition

表4 不同湍流度來流參數(shù)(大湍流度條件)Table 4 Wind field parameters with different turbulence intensity(large intensity)

4 結(jié) 論

通過主動(dòng)控制來流風(fēng)洞將寬頻隨機(jī)脈動(dòng)風(fēng)分解為系列正弦風(fēng)波組合,在驗(yàn)證氣動(dòng)力荷載效應(yīng)在特定頻段內(nèi)可線性迭加原理的基礎(chǔ)上,分析了不同來流風(fēng)波參數(shù)對于類平板斷面的荷載效應(yīng)機(jī)制,表明部分節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)現(xiàn)象已難以由傳統(tǒng)隨機(jī)抖振力理論作出合理的解釋,揭示了作用在典型二維結(jié)構(gòu)上氣動(dòng)力荷載效應(yīng)的復(fù)雜性。結(jié)合上述問題,有必要在隨后的研究中,將研究對象由類平板斷面擴(kuò)展至更多的具有顯著鈍體性質(zhì)的結(jié)構(gòu)斷面,進(jìn)一步分析氣動(dòng)力荷載效應(yīng)作用機(jī)制及規(guī)律。

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