典型鈍體斷面大攻角下的顫振自激力特性

劉慕廣，陳政清

(1.華南理工大學 土木與交通學院 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣州 510641;2.湖南大學 風工程試驗研究中心，長沙 410082)

顫振現象是由作用在結構上的氣動自激力引起的，正確描述結構受到的氣動自激力，是研究橋梁結構顫振失穩現象的前提與關鍵所在。自Scanlan提出用氣動導數表示的自激力模型后，采用基于自由振動或強迫振動的風洞試驗提取結構的氣動導數進行顫振分析的方法得到廣泛的應用。氣動導數作為大跨度橋梁顫振分析中的重要參數，其識別精度會對分析結果產生顯著影響，所以目前很多學者［1-2］在識別方法上進行了較多的研究工作。Scanlan自激力模型中假定氣動導數僅是無量綱風速的函數，且由斷面形狀唯一確定。Matsumoto等［3］在研究了不同振動形態的兩矩形截面的氣動導數后指出，鈍體截面較流線型截面更易受到振動形態的影響。Noda等［4］研究了兩組高寬比的矩形斷面的氣動導數后指出，豎向振幅的變化對氣動導數無明顯影響。以上研究中多未考慮攻角因素，而僅針對0°攻角進行分析。現有研究表明，處于山區復雜地形及峽谷地帶的橋梁風場受局部地形的影響十分劇烈，所受的來流風攻角有可能達到10°或更大［5-6］。在大攻角下，振動方式對結構氣動導數的影響會異于0°攻角，本文通過強迫振動試驗法，分別以矩形與H型這兩種典型鈍體斷面為對象，對大攻角下振動形態差異對氣動導數的影響這一問題進行了初步的探討。

1 試驗布置

常規風洞試驗中在獲取不同攻角的氣動導數時，常采用旋轉模型或懸掛裝置的方式實現攻角變化，如圖1所示。試驗中模型的豎向振動方向一般為風軸y向，與實際結構風振時沿體軸y向的振動形態存在一個夾角α(即攻角α)，這種差異必然會對氣動導數產生一定影響。顯然，隨攻角的增大，常規試驗與實際風振豎向振動形態的差異就越大。

圖1 攻角變化示意圖Fig.1 Attack angle changes schematic

圖2 試驗中的矩形斷面Fig.2 Rectangular section in the test

2 矩形截面氣動導數的差異

首先以寬高比為1.24的矩形截面為對象，該模型長1 400 mm，寬與高分別為207 mm和167 mm。試驗中驅動模型以風軸y向與x向的同頻(f=1.8 Hz)同相位運動，振動幅值分別為20 mm和4 mm，模擬了11.3°攻角下體軸y向運動，對應的4個氣動導數值如圖3所示。另外，圖中同時給出了模型以f=1.8 Hz，風軸y向20 mm振幅運動時識別出的氣動導數。

圖3 攻角11.3°下矩形截面氣動導數Fig.3 Aerodynamic derivatives of rectangular section at 11.3°

圖4 攻角26.6°下矩形截面氣動導數Fig.4 Aerodynamic derivatives of rectangular section at 26.6°

為了進一步分析更大風攻角下豎向振動形態對各氣動導數的影響，試驗中驅動模型以風軸y向16 mm振幅與風軸x向8 mm振幅的同頻(f=1.8 Hz)同相位運動，模擬了26.6°攻角下體軸y向運動，識別了對應的4個氣動導數，如圖4所示。另外，圖中同時給出了模型以f=1.8 Hz，風軸y向16 mm振幅運動時識別出的氣動導數。

由以上兩個攻角下矩形截面氣動導數的分析可見，豎向振動形態對、、三個導數存在顯著的影響，但對導數影響較小。振動形態對各氣動導數的影響各異，且攻角不同，影響規律也不盡相同。

3 H型截面氣動導數的差異

為了進一步分析其它截面氣動導數受豎彎振動形態的影響程度，試驗中又選取一H型截面為研究對象，分別識別了其在風軸y向與體軸y向運動時的氣動導數。該模型長1.4 m，寬30 cm，高12.5 cm，相應的寬高比為2.4。模型以風軸y向16 mm振幅與風軸x向8 mm振幅的同頻(f=1.8 Hz)同相位運動來模擬26.6°風攻角下體軸y向運動，識別了對應的4個氣動導數，如圖5所示。另外，圖中同時給出了模型以風軸y向16 mm振幅運動時識別出的氣動導數。

由圖5中可見，振動形態對H型斷面各氣動導數仍然存在較大程度的影響。對于導數，風軸y向振動下識別值較體軸y向識別值整體偏大，在U/fB=7附近差異達到最大，隨無量綱風速增大，偏差逐漸減小。兩豎向振動方式對應的導數值在U/fB＜7時的差異很小，但隨無量綱風速增大，導數值間的差異突然增大，風軸y向對應導數值明顯小于體軸y向識別值，這一現象與矩形截面26.6°風攻角時類似。對于導數，在無量綱風速較小時，振動形態導致的導數間的差異較小，但在U/fB＞8后，導數間的偏差隨無量綱風速增加不斷增大，且風軸y向識別值整體小于體軸y向導數值。氣動導數僅在U/fB=7～16區間受振動方式的影響較大，這與矩形截面26.6°風攻角時表現出的規律相似。

圖5 攻角26.6°下H型截面氣動導數Fig.5 Aerodynamic derivatives of H-section at 26.6°

4 結論

本文基于三自由度強迫振動裝置，模擬了大攻角下實際結構的彎曲振動形態，并以矩形和H型截面為研究對象，對比分析了彎曲運動形態對、、、等4個氣動導數的影響，得到如下結論:

(2)豎向振動形態對氣動導數的影響與風攻角和截面形式均有較大關系。

(3)總的看來，試驗中豎向振動方式的差異對氣動導數存在明顯影響，大攻角下有必要采用與實際一致的體軸y向振動來識別氣動導數。

本文主要探討了豎向振動方式對典型鈍體斷面氣動導數的影響，后續研究中將逐漸考慮其它截面形式，并進一步研究其對顫振臨界風速及失穩形態的影響。

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