CN107687926B - 研究扭转振动阻尼比对桥梁颤振导数影响的测力试验方法 - Google Patents

研究扭转振动阻尼比对桥梁颤振导数影响的测力试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种研究扭转振动阻尼比对桥梁颤振导数影响的测力试验方法，属于非等幅简谐强迫振动试验技术领域。根据模型质量惯矩和振动加速度计算惯性力，将天平测力信号减掉惯性力获得气动力，即静风力和自激力，并将其均值减掉获得自激力。然后根据已有理论识别不同阻尼比非等幅振动条件下的桥梁颤振导数，进而可以分析振幅及阻尼比对颤振导数的影响。本试验方法实现桥梁主梁节段模型的不同阻尼比条件下的非等幅扭转振动，可以研究阻尼比和振幅对桥梁颤振导数的影响，为桥梁风致振动响应分析提供可靠的计算参数依据。

Description

研究扭转振动阻尼比对桥梁颤振导数影响的测力试验方法
技术领域
本发明属于一种可以研究扭转振动阻尼比对桥梁颤振导数影响的强迫振动测力试验方法，具体涉及到通过专门程序控制的伺服电机驱动桥梁主梁节段模型实现带阻尼(发散或衰减)的非等幅谐波强迫振动，采用刚性支撑模型的测力天平同步测得模型所受惯性力和气动力信号，根据桥梁模型(包括二元端板) 质量惯矩和振动加速度计算得到的惯性力，由天平实测力减掉模型惯性力，得到气动力，然后减掉静气动力(即其平均值)，得到气动自激力，结合模型实际振动的位移和速度时程，基于相关理论，识别出不同阻尼比、非等幅振动条件下的颤振导数，从而可以分析振幅以及阻尼比对桥梁颤振导数的影响，最终为桥梁风致振动响应的计算分析提供可靠的参数依据。
背景技术
随着桥梁朝大跨度和超大跨度方向发展，使得桥梁结构对风的敏感性增加，气动自激力中非线性成分增加，尤其是当振动迅速发散或衰减时，桥梁主梁表面压力及周围流场与等幅简谐振动条件下的结果有所不同，因此桥梁断面自激力和反映断面自激特性的颤振导数也会随之改变。长期以来，国内外采用强迫振动试验方法识别颤振导数时，无一例外地都是基于等幅简谐振动，传统等幅强迫振动方法无法研究阻尼比对颤振导数的影响。显然，等幅简谐振动只是对于一个特定的颤振临界状态是适用的。然而，实际桥梁断面风致竖弯、侧弯和扭转振动一般都是带阻尼的非等幅振动，因此有必要提出一种新的试验方法来研究带阻尼的振动对桥梁颤振导数的影响。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种实现桥梁主梁节段模型非等幅谐波扭转强迫振动，进而研究不同扭转振动阻尼比条件下的桥梁颤振导数特性的试验方法。带阻尼简谐扭转强迫振动对桥梁颤振导数影响的试验方法包括：桥梁模型、测力天平、刚性支杆、伺服电机、转轴、底座和二元端板。
本发明的技术方案：
一种研究扭转振动阻尼比对桥梁颤振导数影响的测力试验方法，其试验装置包括桥梁模型1、测力天平2、刚性支杆3、伺服电机4、转轴5、底座6和二元端板7；桥梁模型1竖直放置，并固定支撑在置于其内部的测力天平2上，确保桥梁模型1扭转中心与测力天平2扭转中心重合；测力天平2固定在竖直的刚性支杆3的顶端，刚性支杆3的底端固结在伺服电机4的转轴5上，转轴5 与刚性支杆3同心，伺服电机4固定在底座6上，桥梁模型1两端配置二元端板7，整体构成一个刚性支撑系统；控制伺服电机4产生不同初始振幅和不同阻尼比的非等幅简谐振动，带动转轴5、刚性支杆3、测力天平2和桥梁模型1同步振动；同步获得桥梁模型1的扭转位移、速度、加速度和测力天平2的六分力信号；根据模型质量惯矩和振动加速度计算惯性力，将测得的总力减掉惯性力获得气动力，进一步减掉静气动力(即气动力平均值)获得自激力，然后根据相关理论识别不同扭转振动阻尼比条件下的桥梁颤振导数。
本发明的有益效果：本装置能够有效地实现桥梁主梁节段模型不同初始扭转振幅和不同扭转振动阻尼比的非等幅简谐振动；支撑结构保证足够刚度，扭转振动位移、速度和加速度信号理想，天平实测得到的扭矩、升力和阻力，可分别用来识别不同振幅和不同阻尼比条件下的颤振导数和 和 和识别精度高；操作方便，省时省力。
附图说明
图1是带阻尼扭转简谐强迫振动试验装置的结构图。
图中：1桥梁模型；2测力天平；3刚性支杆；4伺服电机；5转轴；6底座； 7二元端板。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
如图1所示，一种研究扭转振动阻尼比对桥梁颤振导数影响的测力试验方法，其试验装置包括桥梁模型1、测力天平2、刚性支杆3、伺服电机4、转轴5、底座6和二元端板7；桥梁模型1竖直放置，并固定支撑在置于其内部的测力天平2上，确保桥梁模型1扭转中心与测力天平2扭转中心重合；测力天平2固定在竖直的刚性支杆3的顶端，刚性支杆3的底端固结在伺服电机4的转轴5 上，转轴5与刚性支杆3同心，伺服电机4固定在底座6上，桥梁模型1两端配置二元端板7，整体构成一个刚性支撑系统；控制伺服电机4产生不同初始振幅和不同阻尼比的非等幅简谐振动，带动转轴5、刚性支杆3、测力天平2和桥梁模型1同步振动；同步获得桥梁模型1的扭转位移、速度、加速度和测力天平2的六分力信号；根据模型质量惯矩和振动加速度计算惯性力，将测得的总力减掉惯性力获得气动力，进一步减掉静气动力(即气动力平均值)获得自激力，然后根据相关理论识别不同扭转振动阻尼比条件下的桥梁颤振导数，具体如下：
单自由度扭转振动条件下，产生的自激扭矩、升力和阻力分别表示为：
式中，MT,FL,FD分别为自激扭矩、自激升力和自激阻力；ρ为空气密度；U为来流风速；B为桥面宽度；α,分别为扭转角度和角速度；K＝Bω/U为折算风速；ω为转动圆频率；为与断面形状、攻角和折算风速K相关的颤振导数，j＝2,3；
自激扭矩由天平直接测得的扭矩减掉惯性力和静气动力获得，由于在竖向和侧向没有加速度，因此惯性力为0，相应地，自激升力和阻力即由天平直接测得的升力和阻力时程减去静气动力获得；
对于自激力MTi，FLi，FDi时程及扭转振动位移和速度时程，αi， 式(1a)、(1b)、(1c)表示为：
式中，ST＝BSL；
最后，用最小二乘法计算颤振导数为：

Claims (2)

1.一种研究扭转振动阻尼比对桥梁颤振导数影响的测力试验方法，其特征在于，所述的测力试验方法采用的装置包括桥梁模型(1)、测力天平(2)、刚性支杆(3)、伺服电机(4)、转轴(5)、底座(6)和二元端板(7)；桥梁模型(1)竖直放置，并固定支撑在置于其内部的测力天平(2)上，确保桥梁模型(1)扭转中心与测力天平(2)扭转中心重合；测力天平(2)固定在竖直的刚性支杆(3)的顶端，刚性支杆(3)的底端固结在伺服电机(4)的转轴(5)上，转轴(5)与刚性支杆(3)同心，伺服电机(4)固定在底座(6)上，桥梁模型(1)两端配置二元端板(7)，整体构成一个刚性支撑系统；控制伺服电机(4)产生不同初始振幅和不同阻尼比的非等幅简谐振动，带动转轴(5)、刚性支杆(3)、测力天平(2)和桥梁模型(1)同步振动；同步获得桥梁模型(1)的扭转位移、速度、加速度和测力天平(2)的六分力信号；根据模型质量惯矩和振动加速度计算惯性力，将测得的总力减掉惯性力获得气动力，进一步减掉静气动力获得自激力，然后根据相关理论识别不同扭转振动阻尼比条件下的桥梁颤振导数，具体如下：
单自由度扭转振动条件下，产生的自激扭矩、升力和阻力分别表示为：
式中，MT,FL,FD分别为自激扭矩、自激升力和自激阻力；ρ为空气密度；U为来流风速；B为桥面宽度；α,分别为扭转角度和角速度；K＝Bω/U为折算风速；ω为转动圆频率；为与断面形状、攻角和折算风速K相关的颤振导数，j＝2,3；
自激扭矩由天平直接测得的扭矩减掉惯性力和静气动力获得，由于在竖向和侧向没有加速度，因此惯性力为0，相应地，自激升力和阻力即由天平直接测得的升力和阻力时程减去静气动力获得；
对于自激力MTi，FLi，FDi时程及扭转振动位移和速度时程，αi，i＝1,2,...n，式(1a)、(1b)、(1c)表示为：
式中，ST＝BSL；
最后，用最小二乘法计算颤振导数为：
2.根据权利要求1所述的测力试验方法，其特征在于，所述的二元端板(7)与桥梁模型(1)间留有1-2mm的间隙，以保证气流在模型之间仅有二元流动。
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桥梁结构气动参数识别的数值模拟研究;应旭永;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20121015(第10期);第71-77页

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