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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510641;2.湖南大學(xué) 風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心，長(zhǎng)沙 410082)

顫振現(xiàn)象是由作用在結(jié)構(gòu)上的氣動(dòng)自激力引起的，正確描述結(jié)構(gòu)受到的氣動(dòng)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(dòng)導(dǎo)數(shù)表示的自激力模型后，采用基于自由振動(dòng)或強(qiáng)迫振動(dòng)的風(fēng)洞試驗(yàn)提取結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)進(jìn)行顫振分析的方法得到廣泛的應(yīng)用。氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)作為大跨度橋梁顫振分析中的重要參數(shù)，其識(shí)別精度會(huì)對(duì)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(shí)別方法上進(jìn)行了較多的研究工作。Scanlan自激力模型中假定氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)僅是無(wú)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(dòng)形態(tài)的兩矩形截面的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)后指出，鈍體截面較流線型截面更易受到振動(dòng)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(dòng)導(dǎo)數(shù)后指出，豎向振幅的變化對(duì)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)無(wú)明顯影響。以上研究中多未考慮攻角因素，而僅針對(duì)0°攻角進(jìn)行分析。現(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(chǎng)受局部地形的影響十分劇烈，所受的來(lái)流風(fēng)攻角有可能達(dá)到10°或更大［5-6］。在大攻角下，振動(dòng)方式對(duì)結(jié)構(gòu)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的影響會(huì)異于0°攻角，本文通過(guò)強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)法，分別以矩形與H型這兩種典型鈍體斷面為對(duì)象，對(duì)大攻角下振動(dòng)形態(tài)差異對(duì)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的影響這一問題進(jìn)行了初步的探討。

1 試驗(yàn)布置

常規(guī)風(fēng)洞試驗(yàn)中在獲取不同攻角的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)時(shí)，常采用旋轉(zhuǎn)模型或懸掛裝置的方式實(shí)現(xiàn)攻角變化，如圖1所示。試驗(yàn)中模型的豎向振動(dòng)方向一般為風(fēng)軸y向，與實(shí)際結(jié)構(gòu)風(fēng)振時(shí)沿體軸y向的振動(dòng)形態(tài)存在一個(gè)夾角α(即攻角α)，這種差異必然會(huì)對(duì)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)產(chǎn)生一定影響。顯然，隨攻角的增大，常規(guī)試驗(yàn)與實(shí)際風(fēng)振豎向振動(dòng)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(yàn)中的矩形斷面Fig.2 Rectangular section in the test

2 矩形截面氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的差異

首先以寬高比為1.24的矩形截面為對(duì)象，該模型長(zhǎng)1 400 mm，寬與高分別為207 mm和167 mm。試驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)模型以風(fēng)軸y向與x向的同頻(f=1.8 Hz)同相位運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)幅值分別為20 mm和4 mm，模擬了11.3°攻角下體軸y向運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)的4個(gè)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)值如圖3所示。另外，圖中同時(shí)給出了模型以f=1.8 Hz，風(fēng)軸y向20 mm振幅運(yùn)動(dòng)時(shí)識(shí)別出的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)。

圖3 攻角11.3°下矩形截面氣動(dòng)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(dòng)導(dǎo)數(shù)Fig.4 Aerodynamic derivatives of rectangular section at 26.6°

為了進(jìn)一步分析更大風(fēng)攻角下豎向振動(dòng)形態(tài)對(duì)各氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的影響，試驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，模擬了26.6°攻角下體軸y向運(yùn)動(dòng)，識(shí)別了對(duì)應(yīng)的4個(gè)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)，如圖4所示。另外，圖中同時(shí)給出了模型以f=1.8 Hz，風(fēng)軸y向16 mm振幅運(yùn)動(dòng)時(shí)識(shí)別出的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)。

由以上兩個(gè)攻角下矩形截面氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的分析可見，豎向振動(dòng)形態(tài)對(duì)、、三個(gè)導(dǎo)數(shù)存在顯著的影響，但對(duì)導(dǎo)數(shù)影響較小。振動(dòng)形態(tài)對(duì)各氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的影響各異，且攻角不同，影響規(guī)律也不盡相同。

3 H型截面氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的差異

為了進(jìn)一步分析其它截面氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)受豎彎振動(dòng)形態(tài)的影響程度，試驗(yàn)中又選取一H型截面為研究對(duì)象，分別識(shí)別了其在風(fēng)軸y向與體軸y向運(yùn)動(dòng)時(shí)的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)。該模型長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)來(lái)模擬26.6°風(fēng)攻角下體軸y向運(yùn)動(dòng)，識(shí)別了對(duì)應(yīng)的4個(gè)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)，如圖5所示。另外，圖中同時(shí)給出了模型以風(fēng)軸y向16 mm振幅運(yùn)動(dòng)時(shí)識(shí)別出的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)。

由圖5中可見，振動(dòng)形態(tài)對(duì)H型斷面各氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)仍然存在較大程度的影響。對(duì)于導(dǎo)數(shù)，風(fēng)軸y向振動(dòng)下識(shí)別值較體軸y向識(shí)別值整體偏大，在U/fB=7附近差異達(dá)到最大，隨無(wú)量綱風(fēng)速增大，偏差逐漸減小。兩豎向振動(dòng)方式對(duì)應(yīng)的導(dǎo)數(shù)值在U/fB＜7時(shí)的差異很小，但隨無(wú)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(shí)別值，這一現(xiàn)象與矩形截面26.6°風(fēng)攻角時(shí)類似。對(duì)于導(dǎo)數(shù)，在無(wú)量綱風(fēng)速較小時(shí)，振動(dòng)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(wú)量綱風(fēng)速增加不斷增大，且風(fēng)軸y向識(shí)別值整體小于體軸y向?qū)?shù)值。氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)僅在U/fB=7～16區(qū)間受振動(dòng)方式的影響較大，這與矩形截面26.6°風(fēng)攻角時(shí)表現(xiàn)出的規(guī)律相似。

圖5 攻角26.6°下H型截面氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)Fig.5 Aerodynamic derivatives of H-section at 26.6°

4 結(jié)論

本文基于三自由度強(qiáng)迫振動(dòng)裝置，模擬了大攻角下實(shí)際結(jié)構(gòu)的彎曲振動(dòng)形態(tài)，并以矩形和H型截面為研究對(duì)象，對(duì)比分析了彎曲運(yùn)動(dòng)形態(tài)對(duì)、、、等4個(gè)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的影響，得到如下結(jié)論:

(2)豎向振動(dòng)形態(tài)對(duì)氣動(dòng)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(lái)，試驗(yàn)中豎向振動(dòng)方式的差異對(duì)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)存在明顯影響，大攻角下有必要采用與實(shí)際一致的體軸y向振動(dòng)來(lái)識(shí)別氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)。

本文主要探討了豎向振動(dòng)方式對(duì)典型鈍體斷面氣動(dòng)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(jìn)一步研究其對(duì)顫振臨界風(fēng)速及失穩(wěn)形態(tài)的影響。

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