1.4 颤振机理研究手段

1.4.1 传统方法

目前桥梁颤振机理的研究手段主要有两种：一种是以计算流体动力学为基础，重点研究引起桥梁颤振的风场特征，包括压力、速度分布和漩涡的生成、运动规律，通过CFD可以得到十分详细的流场和压力分布随时间变化的信息，不过受计算方法及计算机性能的限制，三维均匀流和紊流条件下的计算尚无法精确实现，目前比较适合于对二维均匀流情况进行定性分析；另一种途径是风洞试验结合理论计算的研究方法，它首先通过节段模型风洞试验识别相应桥梁的气动导数，然后应用数值计算方法进行二维或三维颤振分析，重点研究桥梁颤振的驱动机理、颤振形态及颤振发生的模态参与作用。

国内外很多学者采用上述两种研究方法，对颤振驱动机理给出了较为合理的解释。日本学者Matsumoto^［20］从1995年起对一系列简单断面的颤振问题进行了系列研究，其核心研究方法是分步分析方法（Step by Step Analysis）。该方法的思想是将颤振分析分为扭转分支和竖向分支，在各分支中考虑扭转和竖向运动的耦合效应，从而将气动阻尼表达为各个气动导数的组合。这种方法除了可以描述系统阻尼、频率随风速的变化规律，其最大特点是能反映在颤振发生过程中各个气动导数对系统参数改变所起的作用，并且他也据此就耦合颤振导数对系统阻尼的影响进行了定量分析，结合这一方法，并通过强迫振动测压来识别气动导数。

Matsumoto对不同宽高比的矩形断面以及菱形、椭圆形、三角形等断面进行了试验和理论研究。将颤振按机理区分为4类，即耦合颤振、高速颤振、低速颤振和限速颤振。不过Matsumoto没有根据这一方法提出描述颤振自由度参与程度的合理方法，从而无法对颤振形态进行定量而形象地描述。

同济大学杨詠昕博士^[21]以 Matsumoto的分布分析方法为基础，对桥梁典型断面的颤振机理进行了更加深入的研究分析。他认为理想薄平板的经典扭弯耦合颤振不是由刚度驱动的，系统扭转牵连运动气动阻尼也不等同于所代表的那部分气动阻尼，这类颤振现象真实的驱动原因是扭转和竖向运动耦合效应所产生的耦合项气动负阻尼，特别是D项耦合气动负阻尼，这也就是说，在经典扭弯耦合颤振的自由度耦合效应中，扭转主运动位移所产生的气动升力激发起耦合竖向运动，耦合竖向运动的速度产生的耦合气动升力矩又反馈作用到扭转主运动上的这样一条激励反馈路线是导致系统发散的主线。根据这一分析方法，通过分析气动阻尼的由正变负，可以计算得到平板的颤振临界风速。

1.4.2 PIV流场测试技术

PIV（粒子图像速度场仪）是20世纪80年代发展起来的流动测试手段，具有瞬时性、全场性、无损性和定量性等特点。它是在传统流动显示技术基础上，利用图形图像处理技术发展起来的一种新的流动测量技术。既具备了单点测量技术的精度和分辨率，又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像。

PIV技术的基本原理是：在流场中布散示踪粒子，以粒子速度代表其所在流场内相应位置处流体的运动速度。使用脉冲激光片光源入射到所测流场区域中，通过连续两次或多次曝光，粒子的图像被记录在底片上或CCD相机上。逐点处理PIV底片或CCD记录的图像，用图像分析技术（如自相关法或互相关法等）得到流场中各点的流速矢量，获得流场速度分布，并由此计算出其他运动参量（包括流场速度矢量图、速度分量图、流线图、游度图等）。PIV设备测速流程参见图1.4。

图1.4 PIV设备测速流程

PIV技术的出现只有20多年的时间，但已经广泛应用到几乎所有与流体有关的研究领域中。对于钝体绕流的研究主要集中在低矮建筑或以高耸建筑为原型，研究手段以PIV技术测量速度场与传统风洞测压相比较的方法。Kyung Chun Kim等于2003年在釜山国立大学的边界层风洞运用PIV分析了低矮建筑模型的周围流场，结果同以往常规方法大致吻合，试验也表明，采用PIV技术能够揭示如局部小涡这样的结构，还能精确确定回旋区域的大小及再附点的位置等。

Taylor^［22］等人于2006年研究了方柱周围的流场和表面压力分布情况，他们将PIV技术结合测压试验和CFD计算结果进行了比较，结果表明二者差别较大。E.Palombi^［23］等人于2006年对不同类型的桥梁断面进行了PIV试验，这些断面包括矩形断面、带不同倒角的矩形断面及大海带桥断面，他们分析了几种断面的尾流特征和漩涡大小，并比较了相应的升力系数。