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强迫振动法大跨度桥梁节段模型气动导数辨识
程忠宇;张琦;陈政清;于向东
【期刊名称】《国防科技大学学报》
【年(卷),期】2003(025)005
【摘要】研制了桥梁节段模型颤振导数测定的二维强迫振动实验装置,采用变频调速技术实现对振动频率的控制,模型惯性力、气动力的测量采用了特殊设计的测力元件,模型运动用压电式加速度计进行测量.实验时,模型分别作单自由度的竖弯或扭转的简谐运动,通过测量模型所受到的气动力及模型位移,应用谱分析方法和非线性曲线拟合算法实现了对八个颤振气动导数的辨识,并通过平板模型实验数据与Theodorsen理想平板数据及国外文献数据对比对实验装置及辨识算法进行了检验.【总页数】4页(P22-25)
【作者】程忠宇;张琦;陈政清;于向东
【作者单位】国防科技大学航天与材料工程学院,湖南,长沙,410073;国防科技大学航天与材料工程学院,湖南,长沙,410073;中南大学土木学院,湖南,长沙,410075;中南大学土木学院,湖南,长沙,410075
【正文语种】中文
【中图分类】V211.74
【相关文献】
1.桥梁气动导数的识别及模型参数对气动导数的影响 [J], 顾明;张若雪
2.强迫振动法提取桥梁气动导数研究 [J], 王卫华;李明水;陈忻
3.节段模型系统非线性对桥梁断面气动导数识别结果的影响 [J], 崔译文
4.桥梁节段模型气动导数的神经网络识别法 [J], 王修勇;陈政清;黄方林
5.桥梁颤振气动导数在均匀流与紊流作用下的统一辨识理论研究 [J], 孙杰;王轩;宋汉文;顾明
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边界层（boundary layer）是高雷诺数绕流中紧贴物面的粘性力不行忽视的流淌薄层，又称流淌边界层、附面层。
这个概念由近代流体力学的奠基人，德国人LUdwig PrandtI于（普朗特）1904年首先提出。
从那时起，边界层讨论就成为流体力学中的一个重要课题和领域。
在边界层内，紧贴物面的流体由于分子引力的作用，完全粘附于物面上，与物体的相对速空气和水的粘性很小,在一般流淌中可以忽视。
但是在靠近物体表面处,粘性是不行忽视的，物体表面四周的这一层流场就称为边界层。
流体力学基本方程：连续性方程，运动方程，本构方程，纳维-斯托克斯方程，伯努利方程page24假如在考察气流对物体的作用时，物体本身的变形和振动可以忽视，即物体可假定为固定在气流中的刚体，建立在这一假定上的理论称为空气动力学,，假如考察气流对物体作用时物体本身的变形和振动不行忽视，即物体必需看作是气流中的弹性体，那么有关的讨论就属于气动弹性力学的范畴了。
无旋运动：假如在整个流场中到处都有rot ：= 0,则此运动称为无旋运动。
反之称为有旋运动。
卡门涡街是流体力学中重要的现象，在自然界中常可遇到，在肯定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规章的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街。
如水流过桥墩，风吹过高塔、烟囱、电线等都会形成卡门涡街。
卡门涡街有一些很重要的应用，因此有必要了解其讨论历史及有关的应用状况。
平均风速:规定时间内，测得风速的平均值。
颤振导数:是气动自激力对状态向量的一阶偏导数,是表征断面气动自激力特征的一组函数, 颤振导数与状态向量的线性组合表示了气动自激力的线性主部。
只要测定了颤振导数，就可以依据它计算同一外形断面在任意运动状态（微振动）中的气动自激力。
抖振：风的紊流成分所激发的结构的随机振动，也称为紊流风响应。
PIoO结构的抖振现象可大致分为三类，即有结构物自身尾流引起的抖振、其它结构物特征紊流引起的抖振和自然风中的脉动成分引起的抖振。
桥梁断面两自由度风致振动数值模拟孔得璨【摘要】采用弱流固耦合技术,对薄平板和桥梁断面进行了两自由度风致振动数值模拟,得到了断面颤振临界风速、振动频率和阻尼比随风速变化情况,薄平板的数值模拟结果与理论解十分吻合,验证了数值模拟的精度.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2017(043)012【总页数】2页(P152-153)【关键词】桥梁断面;自由振动;流固耦合;CFD【作者】孔得璨【作者单位】中铁四院集团西南勘察设计有限公司,云南昆明 650000【正文语种】中文【中图分类】U441.3桥梁主梁断面的气动性能是大跨度桥梁设计时需要考虑的关键因素，目前主要通过主梁节段模型风洞试验来确定不同(折算)风速条件下的模态参数以及颤振临界风速。
但是风洞试验面临成本高、操作复杂、实验周期长等问题。
近年来，随着计算流体动力学(CFD)的发展和计算机性能的提升，数值模拟技术也越来越多地被用于桥梁断面静三分力系数[1]、颤振导数识别[2]以及涡激振动[3]中，但直接采用CFD自由振动方法研究桥梁颤振性能的文献较少。
本文采用弱流固耦合方法对典型桥梁断面进行二维弯扭耦合自由振动数值模拟。
主要研究颤振临界风速以及振动频率和阻尼比随风速的变化。
由于实际桥梁断面形状复杂，没有理论解可以对比，因此本文先对具有Theodorsen理论解的2 mm厚薄平板进行数值模拟，以验证数值模拟的精度。
1.1 流体控制方程流经二维桥梁断面的气流可以通过RANS方程求解，由于涉及动网格，本文采用基于任意朗格朗日—欧拉描述格式作为流体控制方程，质量和动量的守恒方程可写为：其中,xi，ui，umi分别为笛卡尔坐标系下ith坐标、流体速度分量和网格速度分量；ρ和p分别为流体密度和压力；Si为动量守恒方程的广义源项；μeff为有效粘度，包含动力粘度和湍动粘度。
1.2 断面振动方程二维桥梁断面在风场中的运动方程可写为：其中分别为竖弯速度和加速度；分别为扭转速度和加速度；m，I分别为质量和质量惯性矩；ωh0，ωα0分别为竖弯和扭转固有频率；ξh0，ξα0分别为竖弯和扭转初始阻尼比；FL(向上为正)和MT(顺时针为正)分别为气动升力和升力矩。
变槽宽比双主梁断面悬索桥抖振响应特性作者：沈正峰李加武王峰来源：《振动工程学报》2020年第04期摘要：为了研究变槽宽比双主梁断面悬索桥抖振响应，提出考虑自激力和抖振力沿展向变化的频域和时域抖振计算方法，对某景观大桥进行抖振分析。
频域法研究了气动导纳函数、平均风速、脉动风交叉谱对抖振响应的影响，分析不同类型气动导纳函数对抖振响应的影响差异及原因。
时域法通过在每个荷载步更新三分力系数进而更新气动力，并考虑结构的几何非线性效应。
计算结果表明：考虑气动力展向变化的时域法能够捕捉到跨中单索面位置的局部峰值;时域抖振响应计算值在竖向大于频域计算值，在扭转方向要小于频域计算值;考虑气动力展向变化计算的抖振响应要大于采用跨中断面气动参数计算的抖振响应，其主要由抖振力的展向变化产生，自激力的展向变化对其影响较小，在实际工程中考虑气动力展向变化进行抖振分析更加安全。
关键词：抖振; 悬索桥; 变槽宽比; 多模态耦合频域; 气动导纳; 交叉谱中图分类号： U441+.3; U448.25 文献标志码： A 文章编号： 1004-4523（2020）04-0824-10DOI：10.16385/ki.issn.1004-4523.2020.04.021引言近年来，基于多幅主梁断面气动特性的研究，多幅主梁断面成为长大桥梁的优选方案之一。
比较著名的有西堠门大桥（主跨1650 m）[1]，墨西拿海峡大桥（主跨3300 m）[2]。
分幅式主梁能够应用到长大桥梁的主要原因是其出色的气动性能和良好的经济效益[3]。
试验和理论分析认为分幅式主梁断面在增加槽宽比（SWR）的情况下能够显著提高颤振临界风速[4]。
然而，Yang等[5]认为这并不是无条件的，其研究结果表明双幅箱型主梁的气动特性取决于箱梁的形状和槽宽比两个因素。
大量风洞试验和CFD技术的研究结果表明槽宽比会影响主梁的三分力系数、颤振导数和气动措施对提高主梁颤振稳定性的有效性，甚至会使主梁在较低的风速下发生扭转发散[6-9]。
第37卷第5期振动与冲击JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK Vol.37 No.5 2018桥梁颤振导数与气动导纳关系的试验验证张伟峰，张志田，张显雄，陈政清(湖南大学土木工程学院风工程与桥梁工程湖南省重点实验室，长沙410082)摘要：桥梁断面的气动导纳，除了利用风洞试验直接识别外，S c g I g通过假定Wagner函数和Kussne r函数等效 提出了利用颤振导数表示的气动导纳关系式，Hatamka等提出利用“等效”的T h eod oin函数表示的气动导纳。
这两种方法虽然简化了气动导纳的识别，但是在逻辑上都存在问题。
本文利用风洞试验，识别了平板断面和长宽比为4的矩形断面的颤振导数和气动导纳函数。
通过比较识别的气动导纳与利用上述两种方法计算的气动导纳，验证了这两种方法的不合理性。
研究结果表明:通过等效的阶跃函数推导的气动导纳函数，因为忽略了高阶运动模式，所以导致识别的气动导纳随着折算频率的增加，与试验直接识别的气动导纳的差距逐渐增大，并最终趋向于一个极限值;这种方法仅在脉动风波长远大于断面特征长度时是适用的;根据等效的T h e d o in函数表示的气动导纳函数，在低频范围内也与直接试验结果较为接近，但是在高频范围内却表现出周期性的波动，而且对于钝体的矩形断面这种波动性更大。
这种波动是由于采用了某种等效的Theodorsen函数来描述物体的气动性能，在Theodorsen函数变化后，却保持Theodorsen函数的组成函数维持不变这种逻辑上的错误造成的。
关键词：桥梁;风洞试验;颤振导数;气动导纳；阶跃函数;T h e d o in函数中图分类号：U441+.2 文献标志码： A D O I ：10.13465/j. cnki. jvs. 2018. 05. 005 Test verificationfor relations betweenbridge flutter derivatives andaerodynamic admittances ZHANG Weifeng,ZHANG Zhitian,ZHANG Xianxiong,CHEN Zhengqing(Hunan Provincial Key Lab for Wind Engineering and Bridge Engineering，School of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China)Abstract：B esid es id en tifyin g th e m d irectly fr o m w in d tu n n el tests，aero d yn a m ic a d m ittan ce fu n ctio n s o f b rid ge sectio n s cou ld b e exp ressed u sin g a ltern a tive m eth o d s.T h ro u gh a ssu m in g W an ger fu n ctio n to be function，S can lan p ro p o se d u sin g b rid ge flatter d erivatives to ex p ress a ero d yn a m ic a d m ittan ce p ro p o se d u sin g2e q u ivalen t/T h eo d o rsen fu n ctio n s to ex p ress aero d yn a m ic ad m ittan ces.A lth o u gh b o th o f th e m sim p lifiedid en tifyin g aero d yn a m ic adm ittances，th e re w e re logical p ro b le m s in th e tw o m eth o d s.Here，flu tte r d erivatives a n da ero d yn a m ic a d m ittan ce fu n ctio n s o f a fla t p late sectio n a n d a recta n gu la r sectio n w itli a a s j^e c t r a tio o f4 w ere id en tifiedw ith w in d tu n n el tests.Then，th r o u g h co m p a rin g th e m e a su re d a ero d yn a m ic ad m ittan ces w ith th o se calculated u sin g th eab o ve tw o m ethods，irra tio n a lity of th e t w o m e th o d s w a s verified.The re su lts in d icated th a t w ith in crease in th e red u ced frequency，th e d ifferen ce b etw een th e calculated a ero d yn a m ic a d m ittan ces u sin g th e m e th o d o f eq u ivalen t in d icialfu n ctio n s a n d th e m e a su re d o n e s grad u ally in crea ses a n d te n d s to a lim it valu e d u e to ig n o rin g h igh er o rd e r m o tio n m odes，th is m e th o d is applicable o n ly w h e n th e w ave len gth o f flu ctu atin g w in d is m u ch la rger th a n b rid ge sections；th e a ero d yn a m ic a d m ittan ces calculated u sin g th e eq u ivalen t T h eo d o rsen fu n ctio n s a r e close to th em ea su re d o n es w ith in a lo w e r freq u en cy range，w h ile th ey h ave a p erio d ic flu ctu atin g w ith in a h igh er freq u en cy range;fo r recta n gu la r sectio n o f bluff bodies，th is flu ctu atin g b ecom es m o r e significant;th is flu ctu a tio n is d u e to ad o p tin g a certa in2equivalent/T h eo d o rse n fu n ctio n to d escrib e objects’a ero d yn a m ic p erfo rm an ce，o n ce T h eo d o rsen fu n ctio n changes，b u t its co m p o n e n t fu n ctio n s r e m a in u n ch an ged to cause a logical m istake.Key words：bridge;w in d tu n n el test;flu tte r derivative;a ero d yn a m ic adm ittance;indicial fu n ctio n；T h eo d o rsen fu n ctio n基金项目：国家自然科学基金项目（51578233;51178182) 第一作者张伟峰男，博士生，1987年生收稿日期：2016-10-17修改稿收到日期：2016 -12 -08 通信作者张志田男，博士，教授，博士生导师，1974年生第5期张伟峰等：桥梁颤振导数与气动导纳关系的试验验证29大跨度桥梁上的风荷载通常是静风力、抖振力、自激力等多项气动力的叠加。
第24卷第9期V ol.24 No.9 工程力学2007年9 月Sep. 2007 ENGINEERING MECHANICS 80 文章编号：1000-4750(2007)09-0080-08桥梁断面颤振导数的CFD全带宽识别法*祝志文1,2，顾明2，陈政清1(1. 湖南大学风工程试验研究中心，湖南长沙 410082；2. 同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092)摘要：由于需要在不同折算风速下重复进行大量试验或CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟，现有风洞试验和CFD方法识别桥梁断面颤振导数耗时且效率低。
提出一种基于CFD离散时间气动模型，快速识别感兴趣折算风速带宽内任意折算风速下桥梁断面颤振导数的全带宽识别法。
该法基于任意拉格朗-欧拉描述的有限体积法和多层网格技术，首先计算作用在桥梁断面上的非定常气动力，CFD模拟时强迫桥梁断面以单自由度竖弯或扭转方式振动，位移模式为定义在感兴趣的频率范围内的指数脉冲时间序列。
然后利用得到的气动力和该指数脉冲输入，通过系统识别建立起反映桥梁断面气动力系统特性的离散时间气动模型。
随后利用该气动模型仿真桥梁断面在简谐位移激励下的气动力响应，并由该模型的输入和响应通过系统识别得到桥梁断面的颤振导数。
该法在竖弯和扭转方向各仅需一次CFD模拟，就可构造离散时间气动模型，使得颤振导数识别的计算量显著降低。
开展了三汊矶大桥加劲梁断面颤振导数识别和颤振临界风速计算，研究结果与风洞试验的一致性，证明了方法的可靠性和高效性。
关键词：颤振；CFD；系统识别；模型仿真；指数脉冲；桥梁断面中图分类号：TU311.3 文献标识码：AEXTRACTION OF FLUTTER DERIV ATIVES OF BRIDGE DECK AMONG FULL BANDWIDTH OF REDUCED WIND SPEEDS*ZHU Zhi-wen1,2 , GU Ming2 , CHEN Zheng-qing1(1. Research Center in Wind Engineering, Hunan University, Changsha, Hunan 410082, China;2. State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)Abstract: Nowadays, either wind tunnel tests or CFD (Computational Fluid Dynamics) simulations are time-consuming and inefficient to identify bridge deck flutter derivatives, since a large number of tests or simulations must be performed repeatedly at various reduced wind speeds. In the work reported herein, a method, based on the CFD discrete-time model, is presented, which can effectively extract flutter derivatives of a bridge deck at arbitrary reduced wind speeds among full bandwidth of reduced wind speeds. First, unsteady aerodynamic forces acting on a bridge deck are obtained by using the Arbitrary-Lagrangian-Eulerian (ALE) descriptions in combination with finite volume method and multigrid algorithm. In CFD simulations, forced vertical or torsional displancements in form of exponential pulse time series which defined on interesting range of frequencies are applied to the bridge deck. Then, based on the obtained aerodynamic forces and the displacement inputs, discrete time aerodynamic models can be developed which can represent the unsteady aerodynamic behaviors of the———————————————收稿日期：2006-03-04；修改日期：2006-09-04基金项目：国家自然科学基金项目(50678067)；湖南省自然科学基金项目(03JJY3084)；上海市博士后基金项目(06R214148)；中国博士后基金项目(2005038452)作者简介：*祝志文(1968)，男，湖南益阳人，副教授，博士，主要从事桥梁抗风的风洞试验和CFD研究(E-mail: zwzhu@)；顾明(1957)，男，江苏兴化人，教授，博士，博导，主要从事桥梁与结构抗风研究(E-mail: minggu@)；陈政清(1947)，男，湖南湘潭人，教授，博士，博导，主要从事桥梁抗风研究(E-mail: zqchen@).工程力学 81bridge deck. Finally, the aerodynamic models are simulated to obtain unsteady aerodynamic forces tosimple-harmonic displacement inputs. With those input and obtained aerodynamic forces, bridge deck flutterderivatives can be identified through a system identification algorithm. The discrete-time aerodynamic models canbe developed by the presented method which only employs one run of CFD simulation in heaving or pitchingdirections respectively, leading to a significant decrease in computing time. Flutter derivatives and flutter onsetwind speeds of the Sanchaji Bridge are investigated. Reasonable agreements between results from the presentmethod and those from wind tunnel tests demonstrate the reliability and efficiency of the method.Key words:flutter; CFD; system identification; model simulation; exponential pulse; bridge deck大跨度桥梁的颤振稳定性研究，目前主要采用两种方法：风洞试验和基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)的数值方法，这两种方法相辅相成。
