桥梁节段模型风洞试验简介

“桥梁节段模型风洞试验”简介

一概述

桥梁结构一般为柔长结构，在一个方向上有较大的尺度，而在其他两个方向则相对尺度较小。风对桥梁结构的作用近似得满足片条理论，可通过节段模型试验来研究桥梁结构的风致振动响应。

通过桥梁节段模型试验，可以测得桥梁断面的三分力系数、气动导数，为桥梁结构的抗风分析提供参数；同时通过节段模型试验对桥梁结构进行二自由度的颤振临界风速试验实测和涡激振动响应。在大跨度桥梁结构初步设计阶段一般都要通过节段模型试验来进行气动选型；对于一般大跨度桥梁结构也要通过节段模型试验来检验其气动性能，因此桥梁结构节段模型试验是十分重要的桥梁结构模型试验，也是应用最为广泛的风洞试验。节段模型试验根据其测试响应的不同可以分为测力试验和测振试验；根据节段模型试验悬挂方式的不同可以分为刚性悬挂节段模型试验、强迫振动试验和弹性悬挂节段模型试验。

测定桥梁结构的非定常气动力特性（气动导数、气动导纳）以及在非定常气动力作用下的稳定性和振动响应（颤振和涡激共振）。测定桥梁结构主梁断面在非定常气动力作用下的表面压力分布状态，分析不同时刻的主梁断面压力分布变化情况。

通过弹簧和支承装置将主梁刚体模型悬挂在风洞内，并使其能产生竖向平动及绕节段模型截面重心转动的二自由度运动。支承装置应具有改变模型攻角和约束任一自由度的机构，并可根据需要设置附加阻尼装置用于改变弹性悬挂系统的阻尼。弹性悬挂节段模型支承方式见图1-1。

图1-1 弹性悬挂节段模型支承

弹簧悬挂二元刚体节段模型风洞试验除了要求模型与实桥之间满足几何外形相似外，原则上还应满足以下三组无量纲参数的一致性条件：

z

弹性参数：

b U B ω，t U

B ω或t b

ωω(频率比) z

惯性参数：

2m b ρ，4m J b ρ或r b

(惯性半径比) z

阻尼参数：b ζ,t ζ(阻尼比)

其中：U 为平均风速，b ω、t ω分别为弯曲和扭转振动固有圆频率，B 为桥宽，b 为半桥宽，m 、m J 为单位桥长的质量和质量惯性矩，ρ为空气密度，r 为惯性半径，b ζ，t ζ分别为竖向弯曲、扭转振动的阻尼比。表1-1给出了按以上相似条件得到的模型系统的设计参数。

表1-1 节段模型参数缩尺比

注：表中的m 值可根据风洞风速范围任意选取。

试验的攻角范围一般为o 3±，特殊情况（如主梁有超高角）时可取为o

5±，攻角变化

步长为o

1。根据试验目的的不同可分别在均匀流场和紊流风中进行。试验风速范围应至少达到换算到试桥实桥时的颤振检验风速或使主梁产生o

1~o

5的扭转振幅、

梁宽的1/100~1/20的竖向振幅。试验结果以攻角为参数的气动阻尼—折算风速、气动导数—折算风速、振动响应——风速等关系曲线表示。

二 节段模型设计示例

——青岛海湾大桥一期工程红岛航道桥节段模型设计

（确定风洞试验的一些关键参数）

1. 全桥结构动力特性分析结果

采用大型有限元分析程序ANSYS 对青岛海湾大桥成桥状态进行结构动力特性分析，与节段模型风洞试验相关的主要振型、频率及等效质量见表2-1。

表2-1 青岛海湾大桥一期工程红岛航道桥结构动力特性及等效质量

振型编号 频率(Hz) 振型描述 等效质量(t/m) 等效质量惯性矩

(t.m 2/m)

7 0.8072 主梁一阶对称竖弯0.160799E+02 9 1.2178 主梁二阶对称竖弯0.150570E+02

26 2.4871 主梁一阶对称扭转

0.476752E+04

由于节段模型风洞试验是将桥梁结构系统简化为弯扭耦合的两自由度系统，因此，对于每一自由度均可以看作一个单自由度振动体系。对于单自由结构振动体系，其振动频率为：

m

k

=

ω，可以得到对应桥梁在成桥状态各阶振型对应的振动系统刚度。 2. 颤振试验频率比确定

根据桥梁成桥状态的颤振检验风速为69.1m/s 的实际情况，并结合桥梁颤振检验风速的估算值，取实桥颤振试验风速范围为0~140m/s ，对应的模型试验风速区间初步确定为0~20m/s ，初步确定相应的风速比为7/1/=m p U U ，考虑到弹性参数的相似，

弹性参数：

b U B ω，t U

B ω或t b

ωω(频率比) 即节段模型频率比为5714.37/25/==p m f f

3. 涡振试验频率比确定

根据桥梁成桥状态和施工状态的桥梁设计风速分别为44.5m/s 和37.4m/s 的实际情况，取实桥涡激共振试验风速为0~45m/s ，对应的模型试验风速区间初步确定为0~15m/s ，即相应的风速比为0.3/1/=m p U U ，考虑到弹性参数的相似，弹性参数：b U B ω，t U

B ω或t b

ωω(频率比)

即节段模型频率比为33.80.3/25/==p m f f 。

需要说明的是：最后频率比的确定还是要结合实际弹簧的刚度来确定。

表2-2 青岛海湾大桥一期工程红岛航道桥节段模型设计参数（单幅桥面）

4. 节段模型测振试验弹簧设计

根据结构动力学知识，单自由度振动体系的结构振动频率为：

m

k

=

ω （2-1） 故，

缩尺

模型值

参数名称

符号

单位

实桥值

颤振

涡振 颤振

涡振 主梁长度 L m 55.000 1/25 2.200 主梁宽度 B m 23.000 1/25 0.920 主梁高度 H m 3.500 1/25 0.140 等效质量 m eq kg/m

16.08×103

1/252 25.728 等效质量惯矩 J meq kg ⋅m 2/m 4.768×106 1/254

12.206

等效惯性半径 r e m

17.2197 1/25

0.6888 竖弯基频 f v Hz 0.8072 3.5714 8.3333 2.8828 6.7266 扭转基频 f t

Hz 2.4871 3.5714 8.3333 8.8824 20.7258 扭弯频率比 ε

/ 3.0811 1

1 3.0811 3.0811

竖弯阻尼比 ξv % 0.5 1 1 0.5 0.5 扭转阻尼比

ξt

% 0.5 1 1 0.5

0.5