橋梁斷面氣動導數(shù)識別的三自由度強迫振動法.pdf

1、氣動導數(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重要的作用。氣動導數(shù)一般通過節(jié)段模型風洞試驗獲得。按照振動驅(qū)動機制不同，節(jié)段模型試驗方法可分為自由振動法和強迫振動法兩大類。與自由振動法相比，強迫振動法具有響應信號的信噪比大，氣動導數(shù)識別結果離散度小，精度高，對應折減風速范圍寬等優(yōu)點。但由于所需試驗設備復雜、一次性投資大等原因，強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、別結果也不太理想。鑒于這種狀況，本文從識別理論和試驗技術兩個方面對強迫振動法進行了深入的研究，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迫振動。 將分狀態(tài)強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，首次實現(xiàn)了用三自由度分狀態(tài)強迫振動頻域法

3、對18個氣動導數(shù)的識別。提出了三自由度耦合狀態(tài)強迫振動頻域法。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，僅需一次試驗就可獲得所有18個氣動導數(shù)。發(fā)現(xiàn)了節(jié)段模型實際強迫振動頻率與預設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，為此對試驗技術進行了相應的改進，在對超長預試驗振動信號進行精確頻率分析的基礎上，對模型振動頻率進行微調(diào)，達到有效降低上述頻率偏差的目的，從而使頻域法的氣動導數(shù)識別精度得到了明顯提高。

4、 在對加速度時程信號進行數(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，雙向濾波技術等數(shù)字信號處理技術，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，為建立完善的強迫振動時域氣動導數(shù)識別方法奠定了基礎。該方法摒棄了之前將特定風速與零風速下節(jié)段模型所受動

5、荷載按對應相位簡單相減得到自激力時程的做法，首先利用零風速下節(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)，然后在特定風速下利用這些系數(shù)和模型實時振動信號求得高精度的自激力時程信號。結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)強迫振動時域法和三自由度耦合狀態(tài)強迫振動時域法。前者首次實現(xiàn)了用三自由度分狀態(tài)強迫振動時域法對18個氣動導數(shù)的識別，而后者則率先實現(xiàn)了通過一次耦合狀態(tài)強迫振動試驗和

6、時域識別方法獲得18個氣動導數(shù)的目標。 通過數(shù)值仿真算例和薄平板模型試驗對本文所發(fā)展或建立的四種強迫振動氣動導數(shù)識別方法、試驗技術和相應的識別程序的可靠性進行了驗證，并把它們應用于兩種典型橋梁斷面氣動導數(shù)的識別上，取得了滿意的結果。 從試驗工作量、試驗難度、氣動導數(shù)識別精度、離散度等方面對上述四種強迫振動氣動導數(shù)識別方法進行了綜合對比研究，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)強迫振動法的氣動導數(shù)