主动来流条件类平板断面气动力荷载效应初探.pdf

第十四届全国结构风工程学术会议论文集 主动来流条件类平板断面气动力荷载效应初探 赵林 潘韬 曹丰产 曹曙阳 葛耀君 (同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092) 摘要利用日本宫崎大学11x9多风扇主动控制来流风洞和高精度动态天平测力设备，测量了类平板断面(宽 高比22．5：1)在正弦风波来流条件三分量气动力荷载，比较了不同来流平均风速、波动幅值、脉动频率和积分尺度等 参数条件下类平板断面荷载效应。报导并证实了大气边界层物理风洞固定壁面边界反射效应所产生的倍频放大效应； 对于具有与来流平均风向平行对称轴的模型断面，尝试提出了分解来流紊流和结构特征紊流气动力荷载的分析方法； 在获得并验证正弦风波加载离散频率荷栽效应可线性迭加的有效频段区间内，初步比较了来流积分尺度和风速紊流 度效应对于气动力荷载效应的影响，阐明典型节段模型风洞试验结果与传统随机抖振动气动力理论的差异． 关键词多风扇主动风洞、正弦来流、类平板断面、气动力荷载 1． 引 言 对于主跨800m斜拉桥和1500m悬索桥等超大跨度桥梁，基于精细化研究思路的描述气动力荷 载的相关参数(包括静风力系数、颤振导数和气动导纳)风洞试验识别理论和技术方法的研究已成 为大跨度桥梁抗风性能研究的关键技术，其中静风力系数和颤振导数识别工作，国内外己取得较好 的研究进展，而与结构气动力作用时频转换和空问相关性密切联系的随机抖振理论尚未突破流线型 断面的理论框架，尤其是关于积分尺度荷载效应和来流紊流及特征紊流非线性效应的研究基本上处 于空白状态。 对于随机抖振气动力荷载作用模式及规律的相关研究不足主要表现在如下两个方面： 1)对于表达特定桥梁断面对于不同来流频率成份有选择放缩的气动力准定常修正项的气动导 纳函数，工程应用中常假定气动导纳的上限值为1、下限值为薄平板断面的Sear函数，而基于气动 导纳这两种取值的计算结果可以导致一倍左右的计算误差；由于导纳识别算法推导过程引入诸多近 似假定和风洞试验设备测试精度及来流输入条件如积分尺度等参数无法准确控制等问题，相同气动 外形桥梁断面所识别的导纳函数差别较大且难于再现经典刚性机翼断面Sears函数解析结果，多数风 洞试验气动导纳识别结果不具有明确的物理意义，难于验证其识别结果的有效性和合理性1)2)聊)。 21通常传统随机抖振理论忽略或不区分结构绕流紊流项的气动力贡献，而事实上，钝体断面绕 流紊流可能会成为结构随机激励的源动力，即特征紊流产生的随机气动力荷载占总气动力荷载的主 导成份，如何区别并分别描述这类荷载现象成为一项难题。 ‘ 针对上述几点问题，课题组由改善大气边界层物理风洞来流模拟条件入手，利用日本宫崎大学 多风扇主动控制风洞和高精度测力天平，初步探讨了不I一频率和波长正弦来流作用下类平板断面气 动力荷载变化规律。 2．试验条件和工作准备 2．1风洞条件与试验设备 宫崎大学主动风洞由99个独立送风机组成的直流式、多段可拼接主动控制式风洞，经历了由一 维¨个风扇向二维11×9风扇阵列发展过程，可以有效地模拟来流平均风和紊流度剖面效应，合理 213 第十目届全国结构风I程学求告议论支集 再现不同积分尺度来流正弦风波和宽频脉动风时程啪m。试验工作段宽2538mX高1．804m，风速可 调范围为0-15m／s，正弦风速变动上限9m／s来流风速时风速变化幅值为±35rigs，展大波动频率为 5Hz。节段模型气动力测试装置采用三分量高精度小量程动态高频测力天平，天平水平两向剪力(R。 剪力为2舒永平扭矩为209·cm。试验室配备了同步采集监控与触发装置，可实时再现脉动风加载 与模型气动力j蒯步目i量过程。宫崦大学llx9多风扇主动风洞如图l所示。类平扳模型及测力系统主 足动态高额测力试验需要。 出口段 鞫 愿雠噬¨溢即酬妙一 a)^i：1段(上)自试驻段(下 砷±瑞风*1作段示意图 c)试验段模型厘漉埽捌点位王}意田 田I官崎大学