橋梁斷面氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)識(shí)別的三自由度強(qiáng)迫振動(dòng)法.pdf

1、氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)是描述主梁斷面氣動(dòng)性能的重要參數(shù)，在大跨度橋梁顫振和抖振分析過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)一般通過(guò)節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)獲得。按照振動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)制不同，節(jié)段模型試驗(yàn)方法可分為自由振動(dòng)法和強(qiáng)迫振動(dòng)法兩大類。與自由振動(dòng)法相比，強(qiáng)迫振動(dòng)法具有響應(yīng)信號(hào)的信噪比大，氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)識(shí)別結(jié)果離散度小，精度高，對(duì)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(dòng)法一直沒(méi)有得到深入的研究，目前還處于兩自由度水平，識(shí)別理論還不完善，識(shí)

2、別結(jié)果也不太理想。鑒于這種狀況，本文從識(shí)別理論和試驗(yàn)技術(shù)兩個(gè)方面對(duì)強(qiáng)迫振動(dòng)法進(jìn)行了深入的研究，主要內(nèi)容如下： 開(kāi)發(fā)研制了節(jié)段模型三自由度耦合強(qiáng)迫振動(dòng)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(jiǎn)諧強(qiáng)迫振動(dòng)，又可沿任意兩個(gè)或三個(gè)方向作可控的兩自由度或三自由度耦合強(qiáng)迫振動(dòng)。 將分狀態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)頻域法從豎彎和扭轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度的水平拓展到了豎彎、扭轉(zhuǎn)和側(cè)彎三個(gè)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(dòng)頻域法

3、對(duì)18個(gè)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的識(shí)別。提出了三自由度耦合狀態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)頻域法。通過(guò)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(dòng)，僅需一次試驗(yàn)就可獲得所有18個(gè)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)。發(fā)現(xiàn)了節(jié)段模型實(shí)際強(qiáng)迫振動(dòng)頻率與預(yù)設(shè)頻率之間的小量偏差是降低頻域法識(shí)別精度的主要原因之一，為此對(duì)試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，在對(duì)超長(zhǎng)預(yù)試驗(yàn)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行精確頻率分析的基礎(chǔ)上，對(duì)模型振動(dòng)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(dòng)導(dǎo)數(shù)識(shí)別精度得到了明顯提高。

4、 在對(duì)加速度時(shí)程信號(hào)進(jìn)行數(shù)值積分求解速度和位移時(shí)程的問(wèn)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(hào)處理技術(shù)，建立了一個(gè)可以得到精確可靠的速度和位移時(shí)程信號(hào)的處理方法，避免了目前利用振動(dòng)參數(shù)生成速度和位移信號(hào)所帶來(lái)的誤差。通過(guò)對(duì)動(dòng)荷載成分的研究，提出了全新的高精度自激力時(shí)程獲取方法，為建立完善的強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)域氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)識(shí)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(dòng)

5、荷載按對(duì)應(yīng)相位簡(jiǎn)單相減得到自激力時(shí)程的做法，首先利用零風(fēng)速下節(jié)段模型動(dòng)荷載及振動(dòng)信號(hào)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(shí)振動(dòng)信號(hào)求得高精度的自激力時(shí)程信號(hào)。結(jié)合上述獲取速度和位移時(shí)程、以及自激力時(shí)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(dòng)時(shí)域法和三自由度耦合狀態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)域法對(duì)18個(gè)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的識(shí)別，而后者則率先實(shí)現(xiàn)了通過(guò)一次耦合狀態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)和

6、時(shí)域識(shí)別方法獲得18個(gè)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的目標(biāo)。 通過(guò)數(shù)值仿真算例和薄平板模型試驗(yàn)對(duì)本文所發(fā)展或建立的四種強(qiáng)迫振動(dòng)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)識(shí)別方法、試驗(yàn)技術(shù)和相應(yīng)的識(shí)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(dòng)導(dǎo)數(shù)的識(shí)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(dòng)導(dǎo)數(shù)識(shí)別精度、離散度等方面對(duì)上述四種強(qiáng)迫振動(dòng)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)識(shí)別方法進(jìn)行了綜合對(duì)比研究，提出了耦合狀態(tài)時(shí)域法為首選方法的建議。通過(guò)比較分狀態(tài)及耦合狀態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)法的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)