颤振导数识别和空气动力性能的优化Multibox桥面

文摘

大跨径悬索桥桥面部分用于通过多年的发展,从小型盒子甲板梁几何配置双箱和三厢车桥甲板部分。最新一代的分割和多棱箱桥甲板被证明有更好的空气动力学行为;从而进一步优化方法寻找这样的几何构型。组成的一种新型multibox桥面,四个甲板的空气动力学形状的盒子,两侧的车道和两个中间甲板甲板铁路交通,连接它们之间通过稳定梁、测试确定颤振风洞的衍生品和验证的气动性能提出multibox甲板上。空气静力系数测量的multibox桥面模型,扩展1:80年,雷诺数为5.1×10⁵下角−8°和8°之间的攻击。迭代最小二乘(ILS)法的颤振导数识别multibox桥面模型,基于结果的自由振动测试和基于频率分析相应的临界颤振风速multibox桥的原型是估计为188 m / s。

1。介绍

失败后的第一个塔科马一半的设计风速、窄桥桥设计承受静力风荷载,采用各种方法分析大跨度桥梁的气动不稳定,风洞试验([的协助下1- - - - - -3),等等)。如今,空气动力稳定性标准悬挂和斜拉桥的([4- - - - - -6)等),提出了新挑战的桥面几何配置导致新一代的开槽桥面几何图形([7- - - - - -9]等)通过改进空气动力性能,使得长大桥跨越的发展([10,11])。这些新概念的“合成”由基金经理人(颤振控制进行了讨论12)为了降低颤振发生风速,而日本设计标准要求设置为80 m / s,提出修改的甲板横截面。桥面他提议“立轴式”的甲板上分为两个对称箱甲板在主跨度,而横向跨越传统的封闭框甲板上使用;然而临界颤振模式被证明是不对称主要跨度和对称的跨越。几双箱甲板桥梁最近构造,如昂船洲大桥主桥1377 (13),青马大桥主跨1650米(14,西堠门大桥主桥1410 (11三厢车,大桥也被设计为墨西拿桥(7,15),直布罗陀海峡大桥(16),和巽他海峡大桥17];然而这些桥梁建造。为了研究不同的甲板横向配置的影响对于桥梁与垂直扭转频率比率低于团结、空气动力稳定性,同时降低成本,所暗示的建筑解决方案,莎娃et al。18]分析了几个甲板上使用相同的宽度,然后增加横截面宽度对参考梅西纳桥,但消除中间甲板。也是最大规模的甲板模型是坐落在主要飞机电缆和衣架。提出的创新设计策略是实现甲板模型与垂直扭转频率比率低于统一,古典避免颤振不稳定,因此复杂的气动优化桥面不会需要。根据这项研究由通用电气和香11]很长可以实现5000的主要跨悬索桥采用一个宽槽甲板或窄缝和垂直与水平稳定剂的临界颤振速度86米/秒或更高的估计足以承受风荷载在全世界大多数的台风多发地区。

因此,为了进一步提高大跨径悬索桥的空气动力特性,优化multibox桥面车道模型两侧甲板,两个铁路中间甲板,总共3间隙分离,提出了与实验验证它的空气动力学性能。进行风洞试验1:80 4个盒子甲板模型扩展,攻击的角度−8°,−6°,−4°,−2°,0°,2°,4°,6°,8°和再保险号码5.1×10⁵。静态升力和阻力系数和相应的升力和阻力测量空气动力实验在不同风速的测定。也颤振导数的提取进行了使用迭代最小二乘法(ILS)方法提出Chowdhury和Sarkar19]。的颤振性能提出了多层的桥梁部分讨论了关于薄板颤振理论和也与其它桥梁的颤振导数在文献中报道,一个,两个,三个甲板配置。

2。实验设置Multibox桥面模型

新的多层甲板甲板模型共有四个机翼形状的甲板和三个差距分离;其流线型的几何学,以及三个槽之间的甲板,预计将带来改进的空气动力特性和更高的颤振风速桥面模型。截面模型的长度是1.00米,总宽度为0.775米,而用于铁路的两个中间甲板宽度0.125米,它们之间的差距为0.035 m,如在图表示1(一)。交通方面甲板的宽度0.2米,之间的差距从中间甲板是0.045米。的四翼甲板部分模型被三梁连接每个(图0.0625米的深度1 (b))。个人的流线型翼形状甲板是很难构造使用胶合板,是最常见的材料用于风洞模型;因此壳模型第一次被创建的丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)塑料材料,通过3 d打印技术,以确保准确的复制原型曲面的截面的甲板和横梁(图1 (c))。由于部分模型的尺寸,外壳被印在四个部分,连接在一起。四个低密度泡沫芯具有相同几何的甲板上壳,精确的使用热线切割技术,插入在每个甲板壳内横梁连接四个甲板,甲板模型的保持同质性。随着ABS塑料比木材更灵活的材料用于桥面模型,四个aircraft-graded铝条0.4厘米厚甲板表面附着在上面,提高抗弯强度和消除沿着甲板表面粗糙度模型。这样测试模型改善技术是常用的风洞测试。

实验进行了一个开放的电路,吸入风洞两个测试部分的1.12米的身高,1.68米宽,2.44米长。每个测试部分从横向双方允许访问模型,水平安装铰链树脂玻璃窗户,和从风洞地板(图2(一个))。multibox桥面部分模型安装在弹簧悬挂系统组成的共8弹簧,弹簧模型的两侧(图42 (b)),整个模型的等效弹性常数= 680 N / m。风洞试验进行了平滑流条件下,1:80年扩展multibox桥面模型,攻击的角度−8°,−6°,−4°,−2°,0°,2°,4°,6°,和8°Re数5.1×10⁵。

测试风速开始从3.0 m / s,不等到最大测试风速为13.0米/秒;高17.0米/秒的风速可以实现风洞;然而实验停止每当纵向和扭转振动是注意到变得过于激进,为了避免桥面的任何永久性损伤模型或安装系统。

结束两个泡沫矩形板被安装在桥的四肢部分模型(图2 (c)),为了减少端效应(湍流模型的形成,因为突然终止),确保二维流动演化模型在测试期间。两个铝棒伸出的侧multibox桥面模型和被连接到两个力平衡装置,测量风致力水平——和垂直分别相互重合。的铝棒连接安装弹簧悬挂系统模型在风洞之外,和两个激光传感器被安装在丁字架之上,在弹簧悬挂系统,以便固定框架的顶部点之间的距离和桥面移动模型可以被记录下来。总重量的悬浮桥楼甲板模型,包括四个人甲板,连接梁,板,连接铝条,5.0公斤/米,纵向和扭转固有频率模型的以“无风”的条件= 1.70赫兹,分别为= 2.4赫兹。因此,扭转和垂直频率之间的比例,而阻尼比在垂直的方向和扭转方向的阻尼比。数量Scruton multibox桥面模型测试,在那里模型的质量,是无量纲的阻尼,是空气密度,是模型的和弦。模型的质量惯性矩= 0.988公斤·m²/ m。全面的自然频率multibox甲板桥并不确定,因为这座桥是没有将构造;然而,桥梁等类似的甲板配置梅西纳穿越桥梁设计施工和广泛的研究报道了结构参数和空气动力特性。因此Sc数字报告部分甲板梅西纳的模型桥在0.15和0.39之间,2×10的阻尼比⁻³来(20.]。1:60梅西纳桥面的扩展模型,戴安娜et al。21)研究模型的响应数0.2赫兹的频率,0.5赫兹,0.9赫兹,2赫兹,3.0赫兹,和4.0赫兹,风力4 m / s的速度,6 m / s, 10 m / s, 14米/秒。目前测试multibox桥模型的结构参数在梅西纳桥面的值报告。获得的学的第一个25梅西纳桥的模式从一个气动弹性模型表明,模态参数在0.52赫兹到2.30赫兹的范围7),结构阻尼的临界阻尼的1%,基本的模式。因此,对于实验由戴安娜et al。7和戴安娜et al。20.]第一弯曲振动模式之间的比例分段模型和真正的墨西拿桥3.8,速度相似,该指数代表模型和指数代表的原型。考虑模态参数之间的相似性和当前使用的测试风速multibox桥面模型,相似的频率和速度范围值时可以考虑准备multibox桥梁设计和施工。

3所示。Multibox桥面的空气动力学响应模型

3.1。空气动力系数

的阻力和升力系数的影响主要是通过桥面的形状模型,以及攻角,得到−10°到10°通过二维测试。升力和阻力部队被援助的力量平衡和测量记录的值被用来计算静态阻力和升力系数分别作为推荐的qusisteady配方(1]: 在哪里和是无量纲平均阻力和升力系数,是阻力,升力,甲板模型的宽度,平均风速,是空气密度。这些静力系数是衡量从5 m / s,但注意到这些系数会逐渐稳定,从而独立于高风速。为了检查是否系数不再受到风的数量和速度,分别获得的结果为8米/秒,9 m / s, 10 m / s比较数据3(一个)和3 (b)。注意到,升力系数开始非常相似的价值观=−0.212,=−0.239,0.222 =−−10°,8米/秒的风速,9 m / s, 10 m / s,分别和逐渐增加= 0.120,= 0.161,= 0.155 10°攻角(图3(一个))。因此可以确定,没有重大变化的气动力系数与风速的增加发生。阻力系数测量8 m / s, 9米/秒和10 m / s有一个非常相似的进化,除了10°的情况下,产生的值= 0.173,= 0.121,= 0.090 8 m / s, 9 m / s,分别为10 m / s(图3 (b))。

3.2。纵向和扭转风致振动

纵向和扭转风致振动测量的角度攻击−8°8°,60秒的时间间隔为每个风速情况下测试,数据采样率10赫兹。风致响应的角度攻击0°和−6°最高风速检测每种情况下是13.0 m / s, 9.0 m / s,分别详细图表示4。为0°攻角、纵向和扭转响应测量低风速相对较小的振幅,尽管一些孤立的山峰;随着风速的增加振动大小达到振幅的增加到平均17.0毫米和4.6°的纵向和扭转振动,respecively记录的最大风速13.0米/秒(图4(一))。与低风速的情况下,12.0 m / s, multibox桥的部分模型进行了简谐运动,以相对恒幅垂直和旋转动作,观察到的反应在13.0 m / s更不规则,尤其是扭转振动,强烈振荡像飞奔的跳动现象通常遇到空气动力不稳定。类似的趋势增加振动振幅随风速的增加是纵向和扭转振动,发现−6°,最大振幅的12.31毫米和5.9°时测试只有9.0米/秒的风速;高风速不能检测−6°情况下,由于很高的扭转反应,实际上推翻了模型和受损的支持系统,对实验的最后。

平均纵向和扭转响应比较的角度攻击检测风速降低10.13,这是注意到在总体振动的振幅增加gardaually高风速的降低= 8.5,之后突然增加注册的情况下(数字5(一个)和5 (b))。同样有趣的是注意到负攻角的振动振幅略高于正面角度的攻击,尤其是对较低的风速。类似的变化反映在攻角下的扭转振动从−4°到4°。扭转响应振幅有相似的进化−2°和2°,增加,逐渐的增加风速。振动振幅的情况下−6°−8°迅速增加在一个相对较低的风速降低6.5,特别是对于扭转振动。总的来说,它可以得出结论,同样的振幅,桥面的不稳定是实现更快更高的负攻角。几次执行测试的雷诺梅甘娜桥面的攻角6°和8°,但因为前面测试的情况下,发生failiure安装系统,测量反应不正确记录。

4所示。Multibox桥面模型的颤振分析

4.1。颤振导数识别

颤振空气动力不稳定性的验证是一个非常重要的方面在大跨径悬索桥的设计。各种实验和理论公式曾确定空气动力阻力的线性表达式,提升力量和俯仰力矩;然而,Simiu和斯坎兰提出的线性化形式1]风工程师在世界范围内被广泛接受,成为最常见的表情估计的气动颤振桥面的部队单位长度: 在哪里桥面宽度,是空气密度,是风速,系数和()被称为斯坎兰颤振导数。这些术语是无量纲降低频率的函数,它被定义为 颤振导数的采用保证了大桥的动态不稳定性量化和也提供了空气动力的独特配方,不管桥面部分。颤振导数可以解释为相对系统的阻尼和刚度变化对风速的变化。不同于静态气动力系数,可以得到在静态实验条件下,颤振导数可以测量只有处于振荡状态的测试模型。然而,颤振导数识别是相当复杂和斯坎兰Tomoko [22]介绍了提取颤振导数的方法基于指数衰减的记录桥的结构响应模型;一个自由度垂荡和纵摇弹性系统被用来获得直接的颤振导数通过风洞测试。与这些结果,是斯坎兰和Tomoko [22)进行了二自由度(双自由度)分析与耦合的频率,提取剩余的颤振导数。的固有频率和阻尼系数获得开放测试条件时需要使用这种方法提取的颤振导数。然而,由于复杂的过程颤振识别方法的效率和可靠性仍争论不休,已经由Sarkar说et al。23]。在实验中,强制方法申请multibox桥面模型阻力,被迫振动的提升,和时刻部队的方向,在一个常数测试风速(20.,24]。考虑到二自由度桥梁模型受到空气动力,沿着垂直和旋转方向的运动方程可以表示为(1] 通过重构和矩阵,系统空气弹性变形的有效阻尼和刚度矩阵,分别基于每个风速测试用例的结果,可以计算颤振导数的区别这些参数,在给定的测试风速、和相同的参数获得零风速条件: 在哪里在无量纲频率降低,平均风速,和循环频率对纵向和扭转运动,然后呢和的质量和质量惯性矩是桥面模型单位长度。颤振导数可以很容易地提取一旦确定系统刚度和阻尼矩阵为零风速和测试风速实验条件。一般来说,结构系统的未知参数可以确定通过应用各种系统识别方法,根据响应输出是通过实验手段获得。然而,由于结构的大尺寸,以及创建一个精确的数学模型的复杂性,由于测量输出数据的限制,这可能包含高水平的噪音,并不是所有的系统辨识方法适用于许多结构动力学问题特别是当他们的行为可能成为高度非线性(25]。

位移时间历史记录从实验前需要修改任何系统识别方法。根据图书馆的描述方法,第一步是消除噪声干扰的响应,记录生成修改时间位移的历史,可用于图书馆集成方法。巴特沃斯低通数字滤波器是申请纵向和扭转响应时间的历史。为了确定巴特沃斯滤波器的截止频率,快速傅里叶变换进行记录数据,揭示主导频率为每个风速情况下,以及“风速”条件;从这个分析上下截止频率的值被选中。扭转运动,由于耦合颤振的财产,的上限截止频率略高于自然频率、最小风速为3.0米/秒,下界是略低于最低固有频率的最大风速13米/秒;相反,垂直运动从而选择截止频率的原理是相反的情况。发现了巴特沃斯低通滤波器可以有效地去除噪声的高频测量响应。然而,一些变化频率的大小可能会引起。它可以注意到,如图6垂直频率,最大风速为13.00米/秒,最爱管闲事的数据记录,减少从0.119赫兹到0.10赫兹和ILS的准确性系统参数识别方法可能会受到影响。另一方面,频率的变化值记录的执行情况下是10%到15%的公差极限内,因此预计无显著影响。一旦时间位移记录过滤,应用有限差分公式生成速度和加速度时间历程的“视窗”操作被用来减少过滤器的效果和有限差分法的数据通过考虑中间部分三次历史进行进一步的计算。

4.2。颤振导数的薄板和Multibox桥面模型

如图所示Simiu和斯坎兰(1),另一种使用复杂的ILS识别方法,颤振导数的近似估计,可以根据Theodorsen薄板理论。Theodorsen [26]首先提出了理论公式模拟二维机翼的颤振力(翼)部分,在不可压缩势流;因此颤振导数的理论表达式表示的Theodorsen函数可以被匹配提取Theodorsen气动力计算的表达式,与斯坎兰公式(22]。这种直接获得的颤振导数表达式比较如下: 在哪里和的实部和虚部Theodorsen功能,分别。Theodorsen[建议的理论表达式之间的比较26)和实验值显示机翼的好协议或流线型的横截面1]。桥面等复杂的结构模型,Theodorsen配方只能显示一个类似的趋势的颤振导数识别实验。的近似公式和在本研究采用了冯(27]: 在哪里降低频率,薄钢板的宽度,是运动的固有频率。

因为它可以看到从图7(一),几乎所有的颤振导数提取攻角的实验采用盲降方法,多层的桥部分,注册类似的趋势与Theodorsen薄板理论估计,除颤振导数实验显示,更大的变化。此外,除了和的大小,其他基于Theodorsen颤振导数的理论功能都高于从multibox甲板实验,获得特别为高风速范围。一般颤振导数应该接近零值在低风速;然而,的情况下从1.5开始(图的理论价值7 (b))随着风速的降低。这表明Theodorsen的薄板理论不适用于识别的颤振导数对于一个multibox桥面部分。尽管有这些差异,流线型multibox甲板之间的相似性在空气动力学属性和薄板部分可以证实了理论和实验的一般趋势颤振导数,在良好的协议。

4.3。颤振导数比较不同类型的桥甲板

为了评估的空气动力特性multibox桥面模型提出了此实验的颤振导数识别与其它桥梁的颤振导数报道类似配置的甲板。根据原是斯坎兰和Tomoko, (22),证实所发生的错误的颤振导数和不影响整个桥梁的颤振行为,只有6个颤振导数被认为是当前比较。降低风速是用于报告的颤振导数提取不同的风洞试验,对各种类型的大桥,这被定义为(22] 在哪里平均风速,桥面的宽度,桥面的固有频率。与报告的颤振导数为0°攻角Hoga Kusten桥,有一个盒子甲板(28),昂船洲桥,双箱甲板(13),墨西拿桥,甲板(三厢车29日),下面是收集和结果。

是三个直接的颤振导数与气动阻尼,在垂直振动模式,和从图吗8(一)注意到,桥面部分报道,值是负的,从而表明积极的气动阻尼。multibox甲板的负值也观察到的部分,从−0.088−2.42(图8(a)),这是接近颤振导数报告昂船洲大桥双层甲板部分。颤振导数代表无量纲气动阻尼对扭转振动;因此,注册为负值扭转振动意味着积极的气动阻尼作用。从图8(b),它可以注意到,为0°、风攻角的比较对当前multibox甲板和梅西纳大桥桥三厢车非常相似。比较表明,目前调查的颤振导数multibox桥面,非常相似颤振导数的墨西拿桥(三厢车甲板部分)和Hoga Kusten桥(一盒甲板部分),因为它可以注意到在图8(c)。

直接颤振导数可以通过1-DOF振动;然而cross-flutter术语的识别需要耦合振动运动。因此,从实验获得cross-flutter衍生品通过图书馆集成系统比直接颤振导数识别呈现出更多的差异。无量纲的比较颤振导数的multibox桥面,这关系到扭转阻尼耦合运动,如图8(c)的趋势。方法报告值梅西纳桥面;然后对曲线的偏离颤振导数的报道Hoga Kusten桥面,更高的风速降低;最后颤振导数之间的颤振导数值达到昂船洲大桥和墨西拿。有趣的是注意到,当前multibox桥面,另无量纲cross-flutter导数项,相应的升力扭转位移的贡献,提出了最小值等三种类型的桥面为整个降低风速范围调查(图8(d))。第三个无因次cross-flutter导数的比较如图8(e)的曲线导数为multibox甲板上非常类似于墨西拿桥面部分的研究结果,直到风速降低约6.0,然后逐渐增加,昂船洲大桥和梅西纳之间的定位。总体而言,除了颤振导数,很小,,,,,颤振导数之间注册值结果报告梅西纳桥triple-box甲板和昂船洲大桥双层甲板,表明一个非常良好的空气动力性能的新型multibox桥面。

数据9(一个)和9 (b)现在的颤振导数的角度攻击−4°4°,确定从实验上执行multibox桥面模型。更高的响应测量角度的攻击包含太多的噪声数据,不能完全过滤掉;因此,颤振导数无法计算。在这八个颤振导数,,,显示更多的变化一般递增或递减的趋势。的角度攻击−4°4°,,,减少降低风速,特别是对于2°,突然注意到降低风速下降高于8。总体增长趋势,除了2°情况逐步减少注册,之后在5.3降低风速急剧增加;这种差异可能是由噪声引起的测量数据记录。和增加与减少风速对所有攻击的角度报道,有一个总体下降趋势;然而小进化的变化被发现颤振导数,但总体仍值增加攻击的角度−4°,−°,4°。2°然而逐渐减少注册,这可能造成的测量实验数据中的错误。

4.4。Multibox桥面的临界颤振速度

一般桥甲板开始振动在高风速时从风输入能量流逐渐大于损耗的能量通过机械阻尼系统的桥梁。有效阻尼时,由机械和气动阻尼之间的差别,变成了零,甲板上的振荡运动开始不同,这种现象称为临界颤振状态,当风速在发生这种情况称为临界颤振速度Simiu和斯坎兰(1]。Selberg [30.]介绍了一个简化的经验估算临界颤振速度的表达式。然而,这个方程是基于薄板理论,而不是代表的临界颤振速度桥面部分。因此一个替代方法估算的临界颤振速度目前multibox桥面采用;即快速傅里叶分析的纵向和扭转响应记录实验过程中发现,在13.0米/秒(10.13降低风速),垂直与扭转频率值相同的频率,在2.26赫兹的情况攻角。因此,原型的关键耦合颤振风速可以计算的基础上,降低风速相似性是斯坎兰和Tomoko[推荐的22]: 的指数代表了模型在风洞和指数进行测试代表multibox桥面的原型。然而,由于原型的频率尚未最终确定,几个频率0.1赫兹和0.5 Hz之间被认为是当估算临界颤振速度。multibox桥甲板没有进一步的修改,如稳定剂、风盾,或障碍,可以维持一个临界风速62.8米/秒,0.1赫兹的频率,这是略高于设计风速60.0 m / s报道的梅西纳桥面(31日]。然而,当原型的固有频率达到0.2赫兹,临界颤振风速为125.6米/秒,这远远大于大带颤振风速,估计在74.0米/秒(32]。双箱甲板的临界颤振速度,会有所不同;例如,对于西堠门大桥的临界颤振速度= 89.3 m / s估计(11),易建联Sun-Sin桥梁颤振临界速度很高据报道[= 120.0米/秒33]。此外,如果第一个垂直的自然频率的当前模式提出multibox原型桥不同0.3赫兹或更高,临界颤振速度是188.4米/秒或更高。因此实验调查的新multibox桥面配置显示翼空气动力学不稳定会遇到风速远高于那些报道其他双胞胎或triple-box桥甲板。

5。结论

组成的一种新的优化的甲板四大桥连接翼型实验调查和八颤振导数识别自由振动位移的历史。颤振导数的ILS识别方法是选择在各种方法中,由于方便识别系统参数。比较与颤振导数估计Theodorsen薄板理论证实multibox桥面部分的空气动力学行为类似于流线型的部分,尽管差异的最大和最小值。颤振导数据梅西纳,石匠,Hoga Kusten桥甲板被咨询参考价值和比较与那些获得当前调查multibox桥面模型。正如所料,直接颤振方面显示与墨西拿桥的价值密切的相似之处,除了颤振导数接近昂船洲桥楼甲板。cross-flutter的另一方面,衍生品的值记录multibox甲板不同的参考价值,这表明multibox甲板部分的独特的空气动力学性能。的固有频率multibox桥面的原型0.2赫兹,临界颤振风速125.6米/秒估计。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

当前支持的研究项目是加拿大自然科学和工程研究理事会(NSERC)。作者要感谢约翰·海斯博士的支持和亚历克斯先生天天p在实验。

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