桥梁节段模型风洞试验简介

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1、桥梁抗风科普知识之一——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

2、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

3、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湖南大学风工程试验研究中心WindEngineeringResearchCenterofHunanUniversity1桥梁抗风科普知识之一——桥梁节段模型风洞试验简介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：UUωtò弹性参数：，或(频率比)ωBωBωbtbmJrmò惯性参数：，或(惯性半径比)24ρbρbbò阻尼参数：ζ,ζ(阻尼比)bt其中：U为平均风速，ω、ω分

4、别为弯曲和扭转振动固有圆频率，B为桥宽，b为半桥宽，btm、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，ζ，ζ分别为竖mbt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参数名称符号单位表达式缩尺率梁长LmmLp1/n梁宽BmmBp1/n梁高HmmHp1/n单位长度质量mkgmM1/n2p单位长度质量惯矩J2I4mkgmm⋅p1/n结构阻尼比ξ-ξ1时间Tstpm/n风速Vm/sVp1/m频率fHzfpn/m注：表中的m值可根据风洞风速范围任意选取。oo试验的攻角范围一般为±3，特殊情况（如主梁

5、有超高角）时可取为±5，攻角变化o步长为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oo到换算到试桥实桥时的颤振检验风速或使主梁产生1~5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。湖南大学风工程试验研究中心WindEngineeringResearchCenterofHunanUniversity2桥梁抗风科普知识之一——桥梁节段模型风洞试验简介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

6、.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2(t.m/m)70.8072主梁一阶对称竖弯0.160799E+0291.2178主梁二阶对称竖弯0.150570E+02262.4871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

7、系。对于单自由结构振动体系，其振动频率为：kω=，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。m2.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U/U=1/7，考虑到弹性参数的相似，pmUUωt弹性参数：，或(频率比)ωBωBωbtb即节段模型频率比为f/f=25/7=3.5714mp湖南大学风工程试验研究中心WindEngineeringResearch