典型钝体断面大攻角下的颤振自激力特性

刘慕广，陈政清

(1.华南理工大学 土木与交通学院 亚热带建筑科学国家重点实验室，广州 510641;2.湖南大学 风工程试验研究中心，长沙 410082)

颤振现象是由作用在结构上的气动自激力引起的，正确描述结构受到的气动自激力，是研究桥梁结构颤振失稳现象的前提与关键所在。自Scanlan提出用气动导数表示的自激力模型后，采用基于自由振动或强迫振动的风洞试验提取结构的气动导数进行颤振分析的方法得到广泛的应用。气动导数作为大跨度桥梁颤振分析中的重要参数，其识别精度会对分析结果产生显著影响，所以目前很多学者［1-2］在识别方法上进行了较多的研究工作。Scanlan自激力模型中假定气动导数仅是无量纲风速的函数，且由断面形状唯一确定。Matsumoto等［3］在研究了不同振动形态的两矩形截面的气动导数后指出，钝体截面较流线型截面更易受到振动形态的影响。Noda等［4］研究了两组高宽比的矩形断面的气动导数后指出，竖向振幅的变化对气动导数无明显影响。以上研究中多未考虑攻角因素，而仅针对0°攻角进行分析。现有研究表明，处于山区复杂地形及峡谷地带的桥梁风场受局部地形的影响十分剧烈，所受的来流风攻角有可能达到10°或更大［5-6］。在大攻角下，振动方式对结构气动导数的影响会异于0°攻角，本文通过强迫振动试验法，分别以矩形与H型这两种典型钝体断面为对象，对大攻角下振动形态差异对气动导数的影响这一问题进行了初步的探讨。

1 试验布置

常规风洞试验中在获取不同攻角的气动导数时，常采用旋转模型或悬挂装置的方式实现攻角变化，如图1所示。试验中模型的竖向振动方向一般为风轴y向，与实际结构风振时沿体轴y向的振动形态存在一个夹角α(即攻角α)，这种差异必然会对气动导数产生一定影响。显然，随攻角的增大，常规试验与实际风振竖向振动形态的差异就越大。

图1 攻角变化示意图Fig.1 Attack angle changes schematic

图2 试验中的矩形断面Fig.2 Rectangular section in the test

2 矩形截面气动导数的差异

首先以宽高比为1.24的矩形截面为对象，该模型长1 400 mm，宽与高分别为207 mm和167 mm。试验中驱动模型以风轴y向与x向的同频(f=1.8 Hz)同相位运动，振动幅值分别为20 mm和4 mm，模拟了11.3°攻角下体轴y向运动，对应的4个气动导数值如图3所示。另外，图中同时给出了模型以f=1.8 Hz，风轴y向20 mm振幅运动时识别出的气动导数。

图3 攻角11.3°下矩形截面气动导数Fig.3 Aerodynamic derivatives of rectangular section at 11.3°

图4 攻角26.6°下矩形截面气动导数Fig.4 Aerodynamic derivatives of rectangular section at 26.6°

为了进一步分析更大风攻角下竖向振动形态对各气动导数的影响，试验中驱动模型以风轴y向16 mm振幅与风轴x向8 mm振幅的同频(f=1.8 Hz)同相位运动，模拟了26.6°攻角下体轴y向运动，识别了对应的4个气动导数，如图4所示。另外，图中同时给出了模型以f=1.8 Hz，风轴y向16 mm振幅运动时识别出的气动导数。

由以上两个攻角下矩形截面气动导数的分析可见，竖向振动形态对、、三个导数存在显著的影响，但对导数影响较小。振动形态对各气动导数的影响各异，且攻角不同，影响规律也不尽相同。

3 H型截面气动导数的差异

为了进一步分析其它截面气动导数受竖弯振动形态的影响程度，试验中又选取一H型截面为研究对象，分别识别了其在风轴y向与体轴y向运动时的气动导数。该模型长1.4 m，宽30 cm，高12.5 cm，相应的宽高比为2.4。模型以风轴y向16 mm振幅与风轴x向8 mm振幅的同频(f=1.8 Hz)同相位运动来模拟26.6°风攻角下体轴y向运动，识别了对应的4个气动导数，如图5所示。另外，图中同时给出了模型以风轴y向16 mm振幅运动时识别出的气动导数。

由图5中可见，振动形态对H型断面各气动导数仍然存在较大程度的影响。对于导数，风轴y向振动下识别值较体轴y向识别值整体偏大，在U/fB=7附近差异达到最大，随无量纲风速增大，偏差逐渐减小。两竖向振动方式对应的导数值在U/fB＜7时的差异很小，但随无量纲风速增大，导数值间的差异突然增大，风轴y向对应导数值明显小于体轴y向识别值，这一现象与矩形截面26.6°风攻角时类似。对于导数，在无量纲风速较小时，振动形态导致的导数间的差异较小，但在U/fB＞8后，导数间的偏差随无量纲风速增加不断增大，且风轴y向识别值整体小于体轴y向导数值。气动导数仅在U/fB=7～16区间受振动方式的影响较大，这与矩形截面26.6°风攻角时表现出的规律相似。

图5 攻角26.6°下H型截面气动导数Fig.5 Aerodynamic derivatives of H-section at 26.6°

4 结论

本文基于三自由度强迫振动装置，模拟了大攻角下实际结构的弯曲振动形态，并以矩形和H型截面为研究对象，对比分析了弯曲运动形态对、、、等4个气动导数的影响，得到如下结论:

(2)竖向振动形态对气动导数的影响与风攻角和截面形式均有较大关系。

(3)总的看来，试验中竖向振动方式的差异对气动导数存在明显影响，大攻角下有必要采用与实际一致的体轴y向振动来识别气动导数。

本文主要探讨了竖向振动方式对典型钝体断面气动导数的影响，后续研究中将逐渐考虑其它截面形式，并进一步研究其对颤振临界风速及失稳形态的影响。

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