1.4 顫振機(jī)理研究手段

1.4.1 傳統(tǒng)方法

目前橋梁顫振機(jī)理的研究手段主要有兩種：一種是以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究引起橋梁顫振的風(fēng)場(chǎng)特征，包括壓力、速度分布和漩渦的生成、運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過(guò)CFD可以得到十分詳細(xì)的流場(chǎng)和壓力分布隨時(shí)間變化的信息，不過(guò)受計(jì)算方法及計(jì)算機(jī)性能的限制，三維均勻流和紊流條件下的計(jì)算尚無(wú)法精確實(shí)現(xiàn)，目前比較適合于對(duì)二維均勻流情況進(jìn)行定性分析；另一種途徑是風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)合理論計(jì)算的研究方法，它首先通過(guò)節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)識(shí)別相應(yīng)橋梁的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)，然后應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行二維或三維顫振分析，重點(diǎn)研究橋梁顫振的驅(qū)動(dòng)機(jī)理、顫振形態(tài)及顫振發(fā)生的模態(tài)參與作用。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者采用上述兩種研究方法，對(duì)顫振驅(qū)動(dòng)機(jī)理給出了較為合理的解釋。日本學(xué)者M(jìn)atsumoto^［20］從1995年起對(duì)一系列簡(jiǎn)單斷面的顫振問(wèn)題進(jìn)行了系列研究，其核心研究方法是分步分析方法（Step by Step Analysis）。該方法的思想是將顫振分析分為扭轉(zhuǎn)分支和豎向分支，在各分支中考慮扭轉(zhuǎn)和豎向運(yùn)動(dòng)的耦合效應(yīng)，從而將氣動(dòng)阻尼表達(dá)為各個(gè)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的組合。這種方法除了可以描述系統(tǒng)阻尼、頻率隨風(fēng)速的變化規(guī)律，其最大特點(diǎn)是能反映在顫振發(fā)生過(guò)程中各個(gè)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)改變所起的作用，并且他也據(jù)此就耦合顫振導(dǎo)數(shù)對(duì)系統(tǒng)阻尼的影響進(jìn)行了定量分析，結(jié)合這一方法，并通過(guò)強(qiáng)迫振動(dòng)測(cè)壓來(lái)識(shí)別氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)。

Matsumoto對(duì)不同寬高比的矩形斷面以及菱形、橢圓形、三角形等斷面進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究。將顫振按機(jī)理區(qū)分為4類(lèi)，即耦合顫振、高速顫振、低速顫振和限速顫振。不過(guò)Matsumoto沒(méi)有根據(jù)這一方法提出描述顫振自由度參與程度的合理方法，從而無(wú)法對(duì)顫振形態(tài)進(jìn)行定量而形象地描述。

同濟(jì)大學(xué)楊詠昕博士^[21]以 Matsumoto的分布分析方法為基礎(chǔ)，對(duì)橋梁典型斷面的顫振機(jī)理進(jìn)行了更加深入的研究分析。他認(rèn)為理想薄平板的經(jīng)典扭彎耦合顫振不是由剛度驅(qū)動(dòng)的，系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)牽連運(yùn)動(dòng)氣動(dòng)阻尼也不等同于所代表的那部分氣動(dòng)阻尼，這類(lèi)顫振現(xiàn)象真實(shí)的驅(qū)動(dòng)原因是扭轉(zhuǎn)和豎向運(yùn)動(dòng)耦合效應(yīng)所產(chǎn)生的耦合項(xiàng)氣動(dòng)負(fù)阻尼，特別是D項(xiàng)耦合氣動(dòng)負(fù)阻尼，這也就是說(shuō)，在經(jīng)典扭彎耦合顫振的自由度耦合效應(yīng)中，扭轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng)位移所產(chǎn)生的氣動(dòng)升力激發(fā)起耦合豎向運(yùn)動(dòng)，耦合豎向運(yùn)動(dòng)的速度產(chǎn)生的耦合氣動(dòng)升力矩又反饋?zhàn)饔玫脚まD(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng)上的這樣一條激勵(lì)反饋路線是導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)散的主線。根據(jù)這一分析方法，通過(guò)分析氣動(dòng)阻尼的由正變負(fù)，可以計(jì)算得到平板的顫振臨界風(fēng)速。

1.4.2 PIV流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)

PIV（粒子圖像速度場(chǎng)儀）是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的流動(dòng)測(cè)試手段，具有瞬時(shí)性、全場(chǎng)性、無(wú)損性和定量性等特點(diǎn)。它是在傳統(tǒng)流動(dòng)顯示技術(shù)基礎(chǔ)上，利用圖形圖像處理技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種新的流動(dòng)測(cè)量技術(shù)。既具備了單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的精度和分辨率，又能獲得平面流場(chǎng)顯示的整體結(jié)構(gòu)和瞬態(tài)圖像。

PIV技術(shù)的基本原理是：在流場(chǎng)中布散示蹤粒子，以粒子速度代表其所在流場(chǎng)內(nèi)相應(yīng)位置處流體的運(yùn)動(dòng)速度。使用脈沖激光片光源入射到所測(cè)流場(chǎng)區(qū)域中，通過(guò)連續(xù)兩次或多次曝光，粒子的圖像被記錄在底片上或CCD相機(jī)上。逐點(diǎn)處理PIV底片或CCD記錄的圖像，用圖像分析技術(shù)（如自相關(guān)法或互相關(guān)法等）得到流場(chǎng)中各點(diǎn)的流速矢量，獲得流場(chǎng)速度分布，并由此計(jì)算出其他運(yùn)動(dòng)參量（包括流場(chǎng)速度矢量圖、速度分量圖、流線圖、游度圖等）。PIV設(shè)備測(cè)速流程參見(jiàn)圖1.4。

圖1.4 PIV設(shè)備測(cè)速流程

PIV技術(shù)的出現(xiàn)只有20多年的時(shí)間，但已經(jīng)廣泛應(yīng)用到幾乎所有與流體有關(guān)的研究領(lǐng)域中。對(duì)于鈍體繞流的研究主要集中在低矮建筑或以高聳建筑為原型，研究手段以PIV技術(shù)測(cè)量速度場(chǎng)與傳統(tǒng)風(fēng)洞測(cè)壓相比較的方法。Kyung Chun Kim等于2003年在釜山國(guó)立大學(xué)的邊界層風(fēng)洞運(yùn)用PIV分析了低矮建筑模型的周?chē)鲌?chǎng)，結(jié)果同以往常規(guī)方法大致吻合，試驗(yàn)也表明，采用PIV技術(shù)能夠揭示如局部小渦這樣的結(jié)構(gòu)，還能精確確定回旋區(qū)域的大小及再附點(diǎn)的位置等。

Taylor^［22］等人于2006年研究了方柱周?chē)牧鲌?chǎng)和表面壓力分布情況，他們將PIV技術(shù)結(jié)合測(cè)壓試驗(yàn)和CFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明二者差別較大。E.Palombi^［23］等人于2006年對(duì)不同類(lèi)型的橋梁斷面進(jìn)行了PIV試驗(yàn)，這些斷面包括矩形斷面、帶不同倒角的矩形斷面及大海帶橋斷面，他們分析了幾種斷面的尾流特征和漩渦大小，并比較了相應(yīng)的升力系數(shù)。