橋梁斷面氣動導(dǎo)數(shù)識別的三自由度強(qiáng)迫振動法.pdf

1、氣動導(dǎo)數(shù)是描述主梁斷面氣動性能的重要參數(shù)，在大跨度橋梁顫振和抖振分析過程中起著至關(guān)重要的作用。氣動導(dǎo)數(shù)一般通過節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)獲得。按照振動驅(qū)動機(jī)制不同，節(jié)段模型試驗(yàn)方法可分為自由振動法和強(qiáng)迫振動法兩大類。與自由振動法相比，強(qiáng)迫振動法具有響應(yīng)信號的信噪比大，氣動導(dǎo)數(shù)識別結(jié)果離散度小，精度高，對應(yīng)折減風(fēng)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。但由于所需試驗(yàn)設(shè)備復(fù)雜、一次性投資大等原因，強(qiáng)迫振動法一直沒有得到深入的研究，目前還處于兩自由度水平，識別理論還不完善，識

2、別結(jié)果也不太理想。鑒于這種狀況，本文從識別理論和試驗(yàn)技術(shù)兩個方面對強(qiáng)迫振動法進(jìn)行了深入的研究，主要內(nèi)容如下： 開發(fā)研制了節(jié)段模型三自由度耦合強(qiáng)迫振動裝置，該裝置既可使節(jié)段模型沿豎向、側(cè)向或扭轉(zhuǎn)方向作可控的單自由度簡諧強(qiáng)迫振動，又可沿任意兩個或三個方向作可控的兩自由度或三自由度耦合強(qiáng)迫振動。 將分狀態(tài)強(qiáng)迫振動頻域法從豎彎和扭轉(zhuǎn)兩個自由度的水平拓展到了豎彎、扭轉(zhuǎn)和側(cè)彎三個自由度的水平，首次實(shí)現(xiàn)了用三自由度分狀態(tài)強(qiáng)迫振動頻域法

3、對18個氣動導(dǎo)數(shù)的識別。提出了三自由度耦合狀態(tài)強(qiáng)迫振動頻域法。通過使節(jié)段模型沿豎向、側(cè)向和扭轉(zhuǎn)方向作不同頻率的耦合振動，僅需一次試驗(yàn)就可獲得所有18個氣動導(dǎo)數(shù)。發(fā)現(xiàn)了節(jié)段模型實(shí)際強(qiáng)迫振動頻率與預(yù)設(shè)頻率之間的小量偏差是降低頻域法識別精度的主要原因之一，為此對試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，在對超長預(yù)試驗(yàn)振動信號進(jìn)行精確頻率分析的基礎(chǔ)上，對模型振動頻率進(jìn)行微調(diào)，達(dá)到有效降低上述頻率偏差的目的，從而使頻域法的氣動導(dǎo)數(shù)識別精度得到了明顯提高。

4、 在對加速度時程信號進(jìn)行數(shù)值積分求解速度和位移時程的問題上，提出了確定初始速度和初始位移的新方法，并集合樣條函數(shù)積分、橢圓數(shù)字濾波，雙向?yàn)V波技術(shù)等數(shù)字信號處理技術(shù)，建立了一個可以得到精確可靠的速度和位移時程信號的處理方法，避免了目前利用振動參數(shù)生成速度和位移信號所帶來的誤差。通過對動荷載成分的研究，提出了全新的高精度自激力時程獲取方法，為建立完善的強(qiáng)迫振動時域氣動導(dǎo)數(shù)識別方法奠定了基礎(chǔ)。該方法摒棄了之前將特定風(fēng)速與零風(fēng)速下節(jié)段模型所受動

5、荷載按對應(yīng)相位簡單相減得到自激力時程的做法，首先利用零風(fēng)速下節(jié)段模型動荷載及振動信號求解等效阻尼系數(shù)和等效慣性系數(shù)，然后在特定風(fēng)速下利用這些系數(shù)和模型實(shí)時振動信號求得高精度的自激力時程信號。結(jié)合上述獲取速度和位移時程、以及自激力時程的新方法，建立了具有較高精度的三自由度分狀態(tài)強(qiáng)迫振動時域法和三自由度耦合狀態(tài)強(qiáng)迫振動時域法。前者首次實(shí)現(xiàn)了用三自由度分狀態(tài)強(qiáng)迫振動時域法對18個氣動導(dǎo)數(shù)的識別，而后者則率先實(shí)現(xiàn)了通過一次耦合狀態(tài)強(qiáng)迫振動試驗(yàn)和

6、時域識別方法獲得18個氣動導(dǎo)數(shù)的目標(biāo)。 通過數(shù)值仿真算例和薄平板模型試驗(yàn)對本文所發(fā)展或建立的四種強(qiáng)迫振動氣動導(dǎo)數(shù)識別方法、試驗(yàn)技術(shù)和相應(yīng)的識別程序的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，并把它們應(yīng)用于兩種典型橋梁斷面氣動導(dǎo)數(shù)的識別上，取得了滿意的結(jié)果。 從試驗(yàn)工作量、試驗(yàn)難度、氣動導(dǎo)數(shù)識別精度、離散度等方面對上述四種強(qiáng)迫振動氣動導(dǎo)數(shù)識別方法進(jìn)行了綜合對比研究，提出了耦合狀態(tài)時域法為首選方法的建議。通過比較分狀態(tài)及耦合狀態(tài)強(qiáng)迫振動法的氣動導(dǎo)數(shù)