結構振動對風特性測試結果的影響研究

程懷宇, 王 浩, 肖士者, 郭 彤, 鄧穩平

(東南大學 混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室，南京 210096)

近年來，我國建成許多跨江渡海長大跨橋梁工程，其結構形式主要以懸索橋、斜拉橋為主，如蘇通大橋、潤揚大橋、馬鞍山大橋等。對于這些大跨度纜索支承橋梁來說，隨著跨徑的增加，結構剛度減小，使得風荷載經常成為控制荷載。Tacoma懸索橋發生顫振風毀事故七十年后的今天，橋梁風致振動早已引起了各國橋梁工程師們的注意。隨著橋梁風工程研究的不斷深入，風環境及風致橋梁振動響應監測已經成為其中的熱點課題之一[1-5]。因此，這些新建大跨橋梁均安裝了包括風速儀和振動傳感器在內的結構健康監測系統(SHMS)[5-7]，用以監測橋位處的風環境以及風、車輛等引起的橋梁振動。SHMS已成為一個研究橋梁風致振動的現場試驗平臺，近年來也有不少專家學者利用SHMS或者橋位現場實測對強/臺風下的大橋風場特性進行了研究，如朱樂東教授等針對香港青馬大橋進行了臺風特性及結構同步風致振動實測研究[6]；陳政清教授等以湖南岳陽洞庭湖大橋為例，對大跨多塔斜拉橋結構斜拉索的風雨振進行了現場實測研究[3]。上述研究工作都是以現場實測風數據為基礎的。

本課題組近年來參與了包括潤揚大橋、蘇通大橋等SHMS的建設，由于地處東部沿海臺風多發區，這些SHMS每年均能實時記錄下經過橋址區的各類強風。與此同時，鑒于SHMS中風速儀數量較少，且風速儀采樣頻率較低，課題組緊密追蹤橋址區天氣情況，每年臺風期間均上橋進行補充實測。近年來開展的臺風實測研究從2005年的麥莎、卡努開始，直至2011年的梅花、2012年的蘇拉、達維，總計10余個臺風[7-8]。大量的實測研究表明，臺風作用下大跨纜索支承橋梁會發生明顯的側向、豎向和扭轉振動，尤其以主梁、主纜、吊桿和拉索的振動響應最為明顯。這就說明在結構風特性實測過程中，固定在結構上的風速儀自身也是隨著橋梁振動不斷往復運動的。有必要研究結構自身振動對風速儀測試數據可靠性的影響，但目前尚未見相關文獻報道，這也正是本文研究工作的意義之所在。

1 實驗介紹

本實驗的目的是分析結構自身振動對風速儀所測數據的影響。為了模擬風速儀隨結構自身振動的情況，將風速儀固定在振動臺上，通過振動臺來模擬安裝在實際結構中的風速儀基底的振動。實驗中振動臺分別輸入韋帕臺風作用下潤揚大橋主梁跨中橫向振動信號(如圖1)和白噪聲(如圖2)，所測風由風機勻速轉動所輸出。

圖1 主梁橫向振動信號

圖2 白噪聲

實驗在東南大學九龍湖校區土木交通實驗室進行，所采用的兩個風速儀分別是英國Gill儀器設備公司生產的WindMaster和WindMaster Pro三維超聲風速儀，見圖3(a)和(b)，測量精度設為0.01 m/s，采樣頻率均設為10 Hz，數據的輸出方式選用了三維直角坐標方式。振動臺為WS-Z30小型精密振動臺系統，振動頻率為20 Hz，如圖3(c)所示。上述實驗儀器、設備由專用UPS提供穩壓電源。實驗安排在實驗室狹長走道中進行，以盡量模擬風洞環境、減小干擾。為了保證各有風速輸入工況下來流風場的一致性，所采用的SF7-4型低噪聲軸流風機在不同工況中均以相同的轉速轉動。本實驗共設置了5種工況，為了對比驗證實驗數據的可靠性，每種工況均采用上述兩臺不同型號的風速儀分別進行數據采集。每個工況的數據采集均為時間10 min，具體實驗工況的設置見表1。分析中以工況1與2的對比為主，其余工況主要作為對比和參考。

表1 實驗工況

2 風速數據分析處理方法

為了便于分析研究，通常將隨機的自然風V分解成不隨時間變化的平均風U和隨時間變化的零均值脈動風v。其中，平均風特性主要包括平均風速、攻角和風向等，表征脈動風的主要參數為紊流強度、紊流積分尺度和紊流功率譜密度函數等[9]。本文重點分析了結構自身振動對平均風速和紊流特性的影響，以評判振動給風場實測數據可靠性帶來的影響。

2.1 平均風速

三維超聲風速儀輸出的三維風速數據[vx,vy,vz]分別為風速儀坐標系下各坐標方向的風速。為了方便分析研究，常采用風軸坐標系，風軸坐標系的u軸沿平均風U的方向，w軸與u軸垂直且與u軸共同構成豎平面，v軸與u、w軸垂直，u、v、w軸的正向構成一個右手坐標系[9]。通過坐標變換將實測風速數據[vx,vy,vz]轉化到風軸坐標系下的風速[vu,vv,vw]，方法如下：

[vu,vv,vw]=[uvw]-1*[vx,vy,vz]

(1)

(2)

2.2 紊流強度

紊流強度是表征脈動風特性的主要指標之一，對結構風振響應有著重要影響。由于研究中通常將風場中任一點的瞬時物理量化為平均值與脈動值之和，并分別考慮。紊流強度是用來表征脈動值與平均值比值的量，它定義為風的脈動分量平均變化幅度(均方差)σu，σv，σw與平均風速U之比，順風向、橫風向和豎向紊流度分別用Iu，Iv，Iw表示，即：

(3)

2.3 紊流積分尺度

(4)

2.4 紊流功率譜密度

作為脈動風速的另一主要參數，紊流功率譜密度函數能夠準確描述脈動風中各頻率成分所作貢獻的大小。以1948年Von-Karman提出的自由大氣層的水平縱向脈動風速譜為例[10]：

(5)

3 風特性分析結果的對比分析

3.1 對平均風速的影響

平均風速是在某段時間內的風速平均值，平均風速大小直接關系到風對結構作用的大小。本文取時距10 min計算平均風速，實驗測得的順風向風速時程曲線如圖4所示，根據式(1)和式(2)算得各工況下的平均風速分別見表2。

圖4 實測風速時程曲線

表2 實測平均風速 (單位：m/s)

由表2可知，WindMaster風速儀在基底有無振動下所測平均風速差別較小，采用主梁振動和白噪聲時的差別分別為1.83%和2.68%；WindMaster Pro風速儀在基底有無振動時的平均風速差別也較小，采用主梁振動和白噪聲時分別為2.09%和0.26%。因此，結構自身振動對風速儀實測平均風速影響不大。

3.2 對紊流強度的影響

研究表明，在風速小于1.5m/s時，計算紊流強度已無意義[12]，因此，本文僅計算了1～3工況下的紊流強度。WindMaster和WindMaster Pro測得的紊流強度分別見表3和表4。

對比表3和表4可知：① 在振動臺輸入主梁振動信號下，風速儀基底的振動使兩個風速儀測得的順風向紊流強度都略變大，但增加幅度不明顯，均在5%以內。這是由于三維超聲風速儀測得的風速是相對風速儀自身的空氣流動速度，而風速儀振動使空氣和風速儀間產生了往復的相對運動，增加了風脈動分量的平均變化幅度。② 由于白噪聲振幅較大，在采用白噪聲輸入時測得的順風向紊流強度增大幅度較為明顯。③ 橫向和豎向紊流強度在主梁振動信號輸入時有小幅增加，在白噪聲輸入時小幅減小。

表3 WindMaster測得的紊流強度

表4 WindMaster Pro測得的紊流強度

3.3 對紊流積分尺度的影響

紊流積分尺度的分析結果不僅取決于數據記錄的長度和平穩程度，還取決于所采用的分析方法。因此，即使對于同一組數據，采用不同的分析方法也將得到不同的結果[10]。本文中紊流積分尺度均采用較為常用的式(4)求解，結果如表5和表6所示。

表5 WindMaster測得的紊流積分尺度

表6 WindMaster Pro測得的紊流積分尺度

由表5和表6可知：① 相比無振動情況，在振動臺模擬主梁振動時順風向的紊流積分尺度均有所增加，當白噪聲輸入時順風向紊流積分尺度進一步增大。② 在基底振動臺輸入主梁振動信號和白噪聲時，WindMaster測得的橫向和豎向紊流積分尺度變化較小，而WindMaster Pro測得的橫向和豎向紊流積分尺度變化較穩明顯，但情況不一致。由于紊流積分尺度分析結果與所采用的分析方法直接相關，本次測試結果尚有待進一步驗證。

圖5 實測順風向風速功率譜密度

3.4 對風速功率譜密度的影響

實測風譜分析中，加了Hamming窗以減少由于時域信號截斷而引起的頻域信號泄漏。應用分段平滑技術以減少譜值的隨機誤差。10 min長的樣本被分成28段，每段子樣本長60 s(共600個數據)，相鄰兩個子樣本重疊40 s(共400個數據)。每段數據被充零至2 048個，應用快速傅立葉變換(FFT)得到各種工況下的風速功率譜密度，如圖5和圖6所示。

圖5(a)中WindMaster所測數據顯示，工況2和3的風速功率譜密度與工況1差別很小，因此風速儀基底振動對風速功率譜密度的影響很小；圖5(b)中WindMaster Pro所測數據顯示，在小于0.5 Hz的相對低頻部分，工況2和3的風速功率譜密度稍大于工況1，表明基底振動可能會導致所測風速功率密度的低頻部分略高于實際情況。圖5(a)和(b)以及圖6的綜合對比可知，基底振動會導致所測風速功率密度偏高，這種影響在低頻部分尤為明顯。

4 結 論

(1) 三維超聲風速儀基底有無振動的各種工況下所測得的平均風速表明，基底振動對所測得的平均風速影響較小，試驗中的最大差別在2.68%以內，對應基底采用白噪聲輸入下由Windmaster風速儀測得的情況。

(2) 實驗結果表明，基底輸入臺風期間的主梁振動信號會使得風速儀實測得到的紊流強度值在三個方向均略有增加，但增加幅度不明顯。就本次實驗而言，增加幅度均在5%以內，說明主梁振動對紊流強度的影響相對較小。

(4) 結構自身振動會造成實測風速功率譜密度函數值略高于實際值的情況，而且這種影響在低頻部分更為突出。

必須指出，由于本次試驗存在一些不足和可能產生誤差之處包括：實驗未能夠在風洞中進行，以進一步確保來流風場的品質；基底振動僅僅模擬了橫風向振動，而實際結構自身的振動包括橫風向、順風向、豎向以及扭轉振動等；兩風速儀型號不同可能導致的儀器誤差等。因此，本文結論有待將來的進一步驗證和完善。

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