第七章：结构风致振动试验

结构抗风试验结构抗风试验第七章第七章结构风致振动试验结构风致振动试验朱乐东朱乐东桥梁馆桥梁馆309309TelTel：：6598311665983116××23092309MbMb：：1391658099613916580996同济大学土木工程防灾国家重点实验室SLDRCE,TongjiUniversitySLDRCE,TongjiUniversity七：结构风致振动试验结构抗风试验结构抗风试验第七章内容第七章内容7.17.1：：桥梁节段模型自由振动试验桥梁节段模型自由振动试验7.37.3：：全结构气动弹性模型试验全结构气动弹性模型试验7.47.4：：桥梁拉条模型试验桥梁拉条模型试验7.27.2：：桥梁节段模型强迫振动试验桥梁节段模型强迫振动试验7.57.5：：斜拉桥拉索风雨激振试验斜拉桥拉索风雨激振试验七：结构风致振动试验结构抗风试验结构抗风试验7.17.1桥梁节段模型自由振动试验桥梁节段模型自由振动试验7.1.17.1.1主要用途主要用途¾¾确定桥梁的颤振临界风速确定桥梁的颤振临界风速¾¾测试主梁断面的气动导数测试主梁断面的气动导数¾¾确定涡激共振发生风速和幅值确定涡激共振发生风速和幅值¾¾测试斯托拉哈数测试斯托拉哈数七：结构风致振动试验结构抗风试验结构抗风试验7.17.1桥梁节段模型自由振动试验桥梁节段模型自由振动试验7.1.27.1.2模型设计基本原则模型设计基本原则¾¾基本相似条件基本相似条件zz几何相似：几何相似：λλLLzz弹性参数：弹性参数：U/fBU/fB，，εε==fftt/f/fvvzz无需考虑弗劳德数：无需考虑弗劳德数：UU22//DgDg¼¼可自由选择风速比可自由选择风速比λλVV或频率比或频率比λλffzz有时需考虑雷诺数效应：有时需考虑雷诺数效应：¼¼采用大比例模型采用大比例模型zz阻尼参数：阻尼参数：ξξvv,,ξξttzz惯性参数：惯性参数：mmeqeq//ρρbb22，，JJm,eqm,eq//ρρbb44;r;ree/b/b七：结构风致振动试验结构抗风试验结构抗风试验7.17.1桥梁节段模型自由振动试验桥梁节段模型自由振动试验7.1.27.1.2模型设计基本原则模型设计基本原则（续）（续）¾¾需要模拟的参数需要模拟的参数参数名称符号单位缩尺主梁长度LmLλ主梁宽度BmLλ主梁高度HmLλ等效质量meqkg/m2Lλ等效质量惯矩Jmeqkgm2/m4Lλ等效惯性半径,eqmeqqrJm=mLλ竖弯基频fhHzVLλλ扭转基频fαHzVLλλ扭弯频率比ε=fα/fh—1阻尼比ξ—1七：结构风致振动试验结构抗风试验结构抗风试验zz等效质量、等效质量惯性矩－考虑全桥三维振动效应等效质量、等效质量惯性矩－考虑全桥三维振动效应22()1()eqvyvyvLLmMxdxxdxϕϕ==∫∫22,()1()xxmeqtttLLJMxdxxdxθθϕϕ==∫∫7.17.1桥梁节段模型自由振动试验桥梁节段模型自由振动试验7.1.27.1.2模型设计基本原则模型设计基本原则（续）（续）¾¾需要模拟的参数需要模拟的参数（续）（续）七：结构风致振动试验结构抗风试验结构抗风试验7.17.1桥梁节段模型自由振动试验桥梁节段模型自由振动试验7.1.27.1.2模型设计基本原则模型设计基本原则（续）（续）¾¾需要模拟的参数需要模拟的参数（续）（续）zz弹簧弹簧~~节段模型一般用节段模型一般用88根弹簧悬挂根弹簧悬挂来流U端杆传感器1传感器2长钢丝节段模型弹簧来流U传感器1传感器2风洞洞壁长钢丝节段模型端杆传感器399上下悬挂弹簧可采用不同刚度以上下悬挂弹簧可采用不同刚度以考虑自重产生的初位移考虑自重产生的初位移~~弹簧的承载力弹簧的承载力~~弹簧的线弹性伸缩范围弹簧的线弹性伸缩范围99对弹簧进行初拉伸，使其充分展开，对弹簧进行初拉伸，使其充分展开，以降低进入线性所需的初始力以降低进入线性所需的初始力~~螺旋弹簧标称刚度的误差较大，事先需要仔细标定，所用螺旋弹簧标称刚度的误差较大，事先需要仔细标定，所用弹簧的刚度和线弹性伸缩量要接近弹簧的刚度和线弹性伸缩量要接近七：结构风致振动试验结构抗风试验结构抗风试验7.17.1桥梁节段模型自由振动试验桥梁节段模型自由振动试验7.1.27.1.2模型设计基本原则模型设计基本原则（续）（续）¾¾需要模拟的参数需要模拟的参数（续）（续）zz弹簧弹簧（续）（续）~~弹簧刚度和间距的设计值弹簧刚度和间距的设计值()()2222vmvmvmmmmffKmLMππ==()()22222mmmtmtmtmMmmmLvmmvmmmvmJLfKfJerrKMfmLfπεελπ⎛⎞=====⎜⎟⎝⎠来流U端杆传感器1传感器2长钢丝节段模型弹簧2em~~实际质量和刚度确定实际质量和刚度确定99称模型（含包括吊臂等除弹簧外的所有配件）得其质量称模型（含包括吊臂等除弹簧外的所有配件）得其质量MMgg99称称88根弹簧，得其质量根弹簧，得其质量MMss七：结构风致振动试验结构抗风试验结构抗风试验7.17.1桥梁节段模型自由振动试验桥梁节段模型自由振动试验7.1.27.1.2模型设计基本原则模型设计基本原则（续）（续）¾¾需要模拟的参数需要模拟的参数（续）（续）zz弹簧弹簧（续）（续）~~实际质量和刚度确定实际质量和刚度确定99根据轴向振动动能等效原理计算弹簧参与质量根据轴向振动动能等效原理计算弹簧参与质量()()()222222tmvmmmmmmmtmmtmmKKeJemfLfLεππ===()()22,000,233112sLseqssseqsssMmLMMzmzsLds=→==∫99测出竖向振动频率测出竖向振动频率ffvmvm和扭转振动频率和扭转振动频率fftmtm99模型系统等效定位长度质量：模型系统等效定位长度质量：mmmm＝＝((MMgg＋＋MMss/3)//3)/LLmm99测出弹簧吊点至模型中心距离：测出弹簧吊点至模型中心距离：eemm＝＝弹簧间距之半弹簧间距之半99计算模型系统等效单位长度质量惯性矩计算模型系统等效单位长度质量惯性矩七：结构风致振动试验结构抗风试验结构抗风试验¾¾基本结构基本结构端板横隔板横隔板横隔板端板纵梁纵梁外形覆板7.17.1桥梁节段模型自由振动试验桥梁节段模型自由振动试验zz箱形断面箱形断面7.1.27.1.2模型设计基本原则模型设计基本原则（续）（续）七：结构风致振动试验结构抗风试验结构抗风试验¾¾基本结构基本结构（续）（续）7.17.1桥梁节段模型自由振动试验桥梁节段模型自由振动试验zz开口断面开口断面7.1.27.1.2模型设计基本原则模型设计基本原则（续）（续）端板桥面板骨架横隔板骨架纵肋七：结构风致振动试验结构抗风试验结构抗风试验¾¾基本结构基本结构（续）（续）7.17.1桥梁节段模型自由振动试验桥梁节段模型自由振动试验7.1.27.1.2模型设计基本原则模型设计基本原则（续）（续）zz关于二元端板关于二元端板~~在法向风试验中有时使用在法向风试验中有时使用~~抑制模型端部局部三维流抑制模型端部局部三维流（轴向流）（轴向流）UU~~要求板面严格与来流平行，要求板面严格与来流平行，否则会干扰来流，反而影响试验结果否则会干扰来流，反而影响试验结果~~在斜风试验中一般不采用在斜风试验中一般不采用七：结构风致振动试验结构抗风试验结构抗风试验7.17.1桥梁节段模型自由振动试验桥梁节段模型自由振动试验7.1.37.1.3支撑方式支撑方式¾¾外支架弹簧悬挂外支架弹簧悬挂zz风攻角调节方式：旋转外支架风攻角调节方式：旋转外支架七：结构风致振动试验结构抗风试验结构抗风试验7.17.1桥梁节段模型自由振动试验桥梁节段模型自由振动试验7.1.37.1.3支撑方式支撑方式（续）（续）¾¾内支架弹簧悬挂内支架弹簧悬挂zz斜风或法向风颤振、涡振试验斜风或法向风颤振、涡振试验zz法向风大比例（高雷诺数）涡振试验法向风大比例（高雷诺数）涡振试验串有小弹簧的水平钢丝七：结构风致振动试验结构抗风试验结构抗风试验7.17.1桥梁节段模型自由振动试验桥梁节段模型自由振动试验7.1.37.1.3支撑方式支撑方式（续）（续）¾¾内支架弹簧悬挂内支架弹簧悬挂（续）（续）zz风偏角调节风偏角调节移动弹簧固定端移动弹簧固定端更改模型异形更改模型异形七：结构风致振动试验结构抗风试验结构抗风试验7.17.1桥梁节段模型自由振动试验桥梁节段模型自由振动试验7.1.37.1.3支撑方式支撑方式（续）（续）¾¾内支架弹簧悬挂内支架弹簧悬挂（续）（续）zz风攻角调节风攻角调节31.6531.5661.14392.1110.474040-5°-4°-3°-2°-1°1°2°3°4°5°353550.1891.0854.854.891.0850.181929.4731.6522.6710.4917.517.5147-5°-4°-3°-2°-1°1°2°3°4°5°3.1625.833.6614731.56PresetscreweyesforadjustinginclinationanglePresetscreweyesforadjustinginclinationanglePresetscreweyesforfixingremovableendpartsScreweyeforrotationaxis端板端板七：结构风致振动试验结构抗风试验结构抗风试验0mθ2715705414156AA556101010101115em=278em=278OpeningforrotationaxisOpeningsforadjustinginclinationangleOpeningsforadjustinginclinationangleOpeningsforfixingscrewsofendpartsA-A2435.61.21.2329.6338Uea=263107OneaccelerometerTwoaccelerometersL1L2L4L5L3R5R4R2R1R3Unit:mmcosmθθβ=zz风攻角调节风攻角调节（续）（续）吊臂吊臂7.17.1桥梁节段模型自由振动试验桥梁节段模型自由振动试验7.1.37.1.3支撑方式支撑方式（续）（续）¾¾内支架弹簧悬挂内支架弹簧悬挂（续）（续）七：结构风致振动试验结构抗风试验结构抗风试验7.17.1桥梁节段模型自由振动试验桥梁节段模型自由振动试验7.1.47.1.4振动测试振动测试¾¾测点测点¾¾传感器传感器zz加速度传感器加速度传感器zz激光位移传感器激光位移传感器来流U传感器1传感器2风洞洞壁长钢丝节段模型端杆传感器3zz两自由度模型试验：两自由度模型试验：33个个zz三自由度模型试验：三自由度模型试验：55个个zzNo.1+No.3No.1+No.3ÆÆ竖向竖向zz(No.1(No.1－－No.2)/aNo.2)/aÆÆ扭转扭转a七：结构风致振动试验结构抗风试验结构抗风试验7.17.1桥梁节段模型自由振动试验桥梁节段模型自由振动试验7.1.47.1.4气动导数自由振动识别方法气动导数自由振动识别方法¾¾19711971年年ScanlanScanlan：：分状态自由振动分状态自由振动识别法识别法¾¾19891989年年KumarasenaKumarasena：：质心偏离刚度中心的质心偏离刚度中心的““耦合模型耦合模型””试验法试验法¾¾19841984年同济大学谢霁明：年同济大学谢霁明：脉冲耦合振动法脉冲耦合振动法¾¾19731973年年BeliveauBeliveau：：非线性最小二乘法非线性最小二乘法¾¾19821982年年ShinozukaShinozuka：：自回归移动平均数自回归移动平均数((ARMA)ARMA)模型法模型法¾¾19701970年代年代IbrahimIbrahim：：IbrahimIbrahim时域方法（时域方法（ITDITD））¾¾19911991年年YamadaYamada：：扩展的卡尔曼滤波器（扩展的卡尔曼滤波器（EKFEKF））¾¾