桥梁断面幅变颤振导数的识别方法、系统、设备及介质技术方案

本发明专利技术公开了一种桥梁断面幅变颤振导数的识别方法包括节段模型不同自由度振动弹簧悬挂系统的构建；获取零风速下的位移响应时程计算瞬时振幅瞬时频率和瞬时阻尼比对瞬时振幅和瞬时频率进行拟合获得幅变频率对瞬时振幅和瞬时阻尼比进行拟合获得幅变阻尼比获取风速U下的位移响应时程计算瞬时振幅瞬时频率和瞬时阻尼比对瞬时振幅和瞬时频率进行拟合获得幅变频率对瞬时振幅和瞬时阻尼比进行拟合获得幅变阻尼比根据幅变频率幅变阻尼比幅变频率以及幅变阻尼比计算风速U下的幅变颤振导数和/或该方法只需基于自由振动试验便可获得颤振导数在折减频率和振幅空间的值，相比强迫振动试验具有更高精度更经济更易推广的优势。试验具有更高精度更经济更易推广的优势。试验具有更高精度更经济更易推广的优势。

【技术实现步骤摘要】
桥梁断面幅变颤振导数的识别方法、系统、设备及介质


[0001]本专利技术属于桥梁抗风
，尤其涉及一种桥梁断面幅变颤振导数的识别方法、系统、设备及介质。

技术介绍

[0002]随着桥梁跨度的增加，桥梁刚度和自振频率也不断降低，使得大跨度桥梁对风荷载的作用更加敏感。风致振动成为大跨度桥梁设计和建造不可忽略的控制因素之一。美国华盛顿州的旧Tacoma悬索桥在1940年7月建成通车后便出现了持久的主梁竖弯振动。1940年11月7日在19m/s的大风作用下，竖弯振动转换为扭转振动，主梁在经历了约70分钟的大幅反对称扭转振动后，最终发生折断并坠落到海峡中。旧Tacoma桥的灾难性振动是一种自激发散振动—颤振。
[0003]为了比较准确和方便地研究桥梁颤振问题，1971年Scanlan教授在“线性化假定”和“攻角不变假定”的基础上提出了一种非定常自激力模型：
[0004][0005][0006]其中，L
se
和M
se
分别为自激升力和升力矩，ρ是空气密度，U是来流风速；b是主梁半宽；k＝ωb/U，k为折减频率，ω为振动圆频率；h和α分别为主梁的竖向位移和扭转位移；和(j＝1～6)是颤振导数，和均为折减频率k的函数，与桥梁断面的几何构形和来流有关，可通过桥梁断面的节段模型风洞试验或CFD(Computational fluid dynamics)计算获取。
[0007]Scanlan线性自激力模型(即式(1)和(2))中颤振导数和仅是折减频率k的函数，能够很好的预测颤振临界风速。然而近年来，越来越多的学者发现颤振导数与振幅强烈相关，即颤振导数不仅是折减频率k的函数，也是振幅的函数。与此同时，大量的学者通过节段模型风洞试验、数值模拟研究发现目前很多桥梁断面都存在“软颤振”现象，并不是线性颤振自激力模型预测的失稳问题，例如朱乐东等提出的“典型桥梁断面软颤振现象及影响因素”。究其本质在于桥梁断面本身具备一定的钝体特征，气动力也会或多或少存在非线性成分，当振幅越大时断面越钝化，因此，振幅不同，颤振导数也不同。
[0008]鉴于以上分析亟需发展幅变颤振导数的识别方法。目前，识别幅变颤振导数主要通过强迫振动试验(例如Noda M等提出的Effects of oscillation amplitude on aerodynamic derivatives.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2003,91(1
‑
2):101
‑
111；Chen Z Q等提出的Wind
‑
induced self
‑
excited loads on bridges[J].Journal of Structural Engineering,2005,131(12):1783
‑
1793.)或CFD数值模拟强迫振动(例如张彦提出的桥梁气动自激力的数值模拟研究.成都:
西南交通大学,2009.；Xu F等提出的Effects of exponentially modified sinusoidal oscillation and amplitude on bridge deck flutter derivatives[J].Journal of Bridge Engineering,2016,21(5):06016001.)。但是，强迫振动试验由于惯性力占比较大导致气动力识别误差较大，因此效果并不理想，且强迫振动装置昂贵难以普及；而基于CFD的数值模拟，首先采用二维计算难以考虑三维气动特性，其次采用三维计算所需计算资源巨大，再者CFD计算结果的可靠性仍需试验进一步验证，且CFD难以模拟复杂的桥梁断面体系(如桁架主梁断面；钢混叠合主梁断面等)。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于提供一种桥梁断面幅变颤振导数的识别方法、系统、设备及介质，以解决强迫振动试验进行幅变颤振导数识别时误差大、难以普及，以及CFD数值模拟计算资源大、计算结果可靠性无法保证、难以模拟复杂桥梁断面体系的问题。
[0010]本专利技术是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种桥梁断面幅变颤振导数的识别方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1：构建节段模型不同自由度振动弹簧悬挂系统；
[0012]步骤2：在零风速时对所述节段模型分别施加不同自由度方向的初始激励，并分别获取零风速下所述节段模型在对应自由度的位移响应时程
[0013]步骤3：根据所述步骤2中在对应自由度的位移响应时程计算所述位移响应时程对应的瞬时振幅瞬时频率和瞬时阻尼比
[0014]步骤4：对所述瞬时振幅和瞬时频率进行拟合获得幅变频率对所述瞬时振幅和瞬时阻尼比进行拟合获得幅变阻尼比
[0015]步骤5：在风速区间内某一风速U下对所述节段模型分别施加不同自由度方向的初始激励，并分别获取风速U下所述节段模型在对应自由度的位移响应时程
[0016]步骤6：根据所述步骤5中在对应自由度的位移响应时程计算所述位移响应时程对应的瞬时振幅瞬时频率和瞬时阻尼比
[0017]步骤7：对所述瞬时振幅和瞬时频率进行拟合获得幅变频率对所述瞬时振幅和瞬时阻尼比进行拟合获得幅变阻尼比
[0018]步骤8：根据所述幅变频率幅变阻尼比幅变频率以及幅变阻尼比计算风速U下的幅变颤振导数和/或
[0019]本专利技术识别方法包括节段模型不同自由度振动弹簧悬挂系统的构建；获取零风速下的位移响应时程计算瞬时振幅瞬时频率和瞬时阻尼比对瞬时振幅和瞬时频率进行拟合获得幅变频率对瞬时振幅和瞬时阻尼比
进行拟合获得幅变阻尼比获取风速U下的位移响应时程计算瞬时振幅瞬时频率和瞬时阻尼比对瞬时振幅和瞬时频率进行拟合获得幅变频率对瞬时振幅和瞬时阻尼比进行拟合获得幅变阻尼比根据幅变频率幅变阻尼比幅变频率以及幅变阻尼比计算风速U下的幅变颤振导数和/或该方法只需基于自由振动试验便可获得颤振导数在折减频率和振幅空间的值，相比强迫振动实验法具有更高的精度，更低的费用，十分适合于广泛推广应用。
[0020]进一步地，所述步骤1中，节段模型不同自由度振动弹簧悬挂系统的构建方法为：
[0021]构建节段模型；
[0022]采用约束钢丝限制所述节段模型的运动，使所述节段模型仅能产生对应自由度方向的运动，得到所述节段模型不同自由度振动弹簧悬挂系统。
[0023]进一步地，所述步骤2或5中，采用激光位移计采集零风速或风速区间内某一风速U下所述节段模型在对应自由度的位移响应时程。
[0024]进一步地，所述步骤3或6中，瞬时振幅的计算公式为：
[0025][0026]其中，A
qi
(t)为不同风速时的瞬时振幅；q
i
(t)为不同风速时对应自由度的位移响应时程；当零风速时，A
qi
(t)对应q
i
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种桥梁断面幅变颤振导数的识别方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：构建节段模型不同自由度振动弹簧悬挂系统；步骤2：在零风速时对所述节段模型分别施加不同自由度方向的初始激励，并分别获取零风速下所述节段模型在对应自由度的位移响应时程步骤3：根据所述步骤2中在对应自由度的位移响应时程计算所述位移响应时程对应的瞬时振幅瞬时频率和瞬时阻尼比步骤4：对所述瞬时振幅和瞬时频率进行拟合获得幅变频率对所述瞬时振幅和瞬时阻尼比进行拟合获得幅变阻尼比步骤5：在风速区间内某一风速U下对所述节段模型分别施加不同自由度方向的初始激励，并分别获取风速U下所述节段模型在对应自由度的位移响应时程步骤6：根据所述步骤5中在对应自由度的位移响应时程计算所述位移响应时程对应的瞬时振幅瞬时频率和瞬时阻尼比步骤7：对所述瞬时振幅和瞬时频率进行拟合获得幅变频率对所述瞬时振幅和瞬时阻尼比进行拟合获得幅变阻尼比步骤8：根据所述幅变频率幅变阻尼比幅变频率以及幅变阻尼比计算风速U下的幅变颤振导数和/或2.如权利要求1所述的桥梁断面幅变颤振导数的识别方法，其特征在于，所述步骤1中，节段模型不同自由度振动弹簧悬挂系统的构建方法为：构建节段模型；采用约束钢丝限制所述节段模型的运动，使所述节段模型仅能产生对应自由度方向的运动，得到所述节段模型不同自由度振动弹簧悬挂系统。3.如权利要求1所述的桥梁断面幅变颤振导数的识别方法，其特征在于，所述步骤2或5中，采用激光位移计采集零风速或风速区间内某一风速U下所述节段模型在对应自由度的位移响应时程。4.如权利要求1所述的桥梁断面幅变颤振导数的识别方法，其特征在于，所述步骤3或6中，瞬时振幅的计算公式为：其中，A
qi
(t)为不同风速时的瞬时振幅；q
i
(t)为不同风速时对应自由度的位移响应时程；当零风速时，A
qi
(t)对应q
i
(t)对应当风速为U时，A
qi
(t)对应q
i
(t)对应应为q
i
(t)的希尔伯特变换，具体表示为瞬时频率的计算公式为：
其中，f
qi
(t)为不同风速时的瞬时频率，当零风速时，f
qi
(t)对应当风速为U时，f
qi
(t)对应瞬时阻尼比的计算公式为：其中，ξ
qi
(t)为不同风速时的瞬时阻尼比，当零风速时，ξ
qi
(t)对应当风速为U时，ξ
qi
(t)对应Δt为采样时间步。5.如权利要求1～4中任一项所述的桥梁断面幅变颤振导数的识别方法，其特征在于，所述步骤8中，对于节段模型扭转单自由度振动弹簧悬挂系统，风速U下的幅变颤振导数和的具体计算公式为：的具体计算公式为：其中，均为风速U下扭转位移响应时程对应的幅变颤振导数，为零风速下扭转位移响应时程对应的瞬时振幅，为风速U下扭转位移响应时程对应的瞬时振幅，为零风速下扭转位移响应时程对应的扭转幅变阻尼比，为风速U下扭转位移响应时程对应的扭转幅变阻尼比；对应的扭转幅变阻尼比；为零风速下扭转位移响应时程对应的扭转幅变频率；对应的扭转幅变频率；为风速U下扭转位移响应时程对应的扭转幅变频率；ν＝ρb4/I，ρ为空气密度，b为节段模型的半宽，I为节段模型的扭转惯性矩。6.如权利要求1～4中任一项所述的桥梁断面幅变颤振导数的识别方法，其特征在于，所述步骤8中，对于节段模型竖向和扭转两自由度振动弹簧悬挂系统，风速U下的幅变颤振导数和的具体计算公式为：的具体计算公式为：其中，均为风速U下竖向模态的竖向位移响应时程对应的幅变颤振导数，为零风速下竖向模态的竖向位移响应时程对应的瞬时振幅，为风速U下
竖向模态的竖向位移响应时程对应的瞬时振幅，为零风速下竖向模态...

【专利技术属性】
技术研发人员：李凯，韩艳，宋俊，许育升，胡朋，李春光，沈炼，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：