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系統識別號 U0002-1008201100013600
中文論文名稱 施工橋樑斷面模型風洞試驗
英文論文名稱 Section Model Test of a Bridge under Construction
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 99
學期 2
出版年 100
研究生中文姓名 李宜泓
研究生英文姓名 Yi-Hom Li
學號 697380490
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-06-27
論文頁數 106頁
口試委員 指導教授-林堉溢
委員-林堉溢
委員-鄭啟明
委員-陳振華
中文關鍵字 斷面模型試驗  顫振  抖振  顫振臨界風速 
英文關鍵字 section model test  flutter  buffeting  critical velocity of flutter 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 因長跨徑的橋樑具有較大的柔度,所以其受風力而引發的不穩定現象的機率也大增,首重於橋樑的受風反應現象。施工中橋樑相較於施工完成的橋樑有更多不穩定的因素,進而產生了解未完成施工橋樑受風反應的想法。研究橋樑受風反應的方法主要藉由風洞試驗,風洞試驗分為斷面模型試驗和全橋模型試驗,利用模擬風場的特性來測量橋樑縮尺後的反應,再經由轉換來預測真實橋樑受風後的結構反應。
本文的研究方法主要為藉由斷面模型試驗,試驗內容為顫振導數測量、風力係數測量、抖振相似性反應測量,運用試驗結果得到的氣動力參數來建立數值模型,為了求證試驗結果的合理性以及正確性,分別用全橋模型試驗和數值模擬來做為比較以及驗證的依據。
研究結果得知,研究對象的橋樑產生顫振破壞的臨界風速實驗值和數值模擬的臨界風速相當吻合,可得知此橋樑應當是相當安全並且不會發生顫振破壞的行為。抖振相似性反應方面,紊流場8%的斷面模型試驗和全橋模型試驗的比較,在台北市50年回歸期設計風速下,發現到垂直反應約差了30%,而在扭轉向方面則是相當一致的。
英文摘要 Since long-span bridges have greater flexibilities, they are more susceptible to wind excitation. In general, the aerodynamic instability problems for the bridges in constructed stage need more attention than in completed stage. For this reason, the main objective of this thesis is to investigate the aerodynamic behavior of a bridge under construction through section model tests. The wind tunnel tests include the measurements of the static wind force coefficients and the flutter derivatives in smooth flow and buffeting responses in turbulent flow.

The critical flutter wind speed and the buffeting responses measured from the tests are compared with those measured from the full bridge model test which was conducted earlier. Also, a numerical model in conjunction with flutter derivatives and wind force coefficients, measured in the tests, is performed. The numerical results are also compared with the experimental results. The comparison show that the flutter wind speeds respectively obtained from section model test and calculated based on the flutter derivatives are in good agreement. For the buffeting responses at the design wind speed, the results obtained from section model tests, full bridge model tests and numerical analysis agree well to some extent. The discrepancies are in the range of 5-30%.
論文目次 目錄
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 1
1.3 研究內容 2
1.4 論文架構 3
第二章 文獻回顧 5
2.1 前言 5
2.2 橋樑風效應 5
2.2.1 扭轉不穩定(Torsional instability) 6
2.2.2 渦流振動(Vortex shedding) 6
2.2.3 風馳效應(Galloping) 7
2.2.4 顫振(Flutter) 8
2.2.5 抖振(Buffeting) 9
2.2.6 風力係數 10
2.2.7 顫振導數(Flutter derivative) 11
2.3 橋樑斷面形狀 12
2.3.1 流線型與非流線型 12
2.3.2 斷面寬深比 12
2.3.3 斷面加設物 13
2.3.4 整流片(fairing) 14
2.3.5結語 15
第三章 數值分析 16
3.1 前言 16
3.1.1 斷面性質 16
3.1.2 結構特性模擬 17
3.1.3 數值結構之基本振態分析 17
3.2 顫振與抖振效應之數值分析模式 17
3.2.1 顫振力 17
3.2.2 抖振力 19
3.2.3 橋樑運動方程式 20
3.2.4 橋樑顫振臨界風速分析方法 22
3.2.5 抖振效應之分析 26
第四章 斷面模型模擬原則 36
4.1斷面模型探討 36
4.1.1 斷面模型簡介 36
4.1.2 斷面模型之應用 36
4.1.3 斷面模型之氣彈力相似性 36
4.2相似性轉換 40
4.2.1相似性轉換公式推導 41
4.2.2相似性轉換實例分析 46
第五章 流場與模型介紹與實驗流程 47
5.1 流場介紹 47
5.1.1 均勻紊流場 47
5.1.2 風洞實驗之流場特性 48
5.2 斷面模型之製作過程 49
5.2.1 斷面模型之縮尺 49
5.2.2 斷面模型之製作 49
5.2.3 斷面模型之自然頻率及阻尼比之率定 51
5.2.4 斷面模型轉動慣量之求得 51
5.3 實驗儀器介紹 52
5.3.1 風速量測(Measuring Wind Velocity) 52
5.3.2 模型位移反應量測 54
5.3.3 風壓力量量測 55
5.4 模型之數據採樣與分析 55
5.4.1 數據採樣 55
5.4.2 數據分析 56
5.5 實驗流程 57
第六章 實驗結果與討論 58
6.1 前言 58
6.2 模型A顫振導數實驗結果 58
6.3 模型B風力係數實驗結果 59
6.3.1風力系數實驗結果比較 61
6.4抖振相似性實驗 61
6.4.1全橋模型抖振相似性實驗 61
6.4.2斷面模型抖振相似性實驗 62
6.4.3抖振相似性實驗結果比較 63
6.5相似性轉換結果與數值模型抖振分析結果比較 63
6.6臨界風速測量與數值分析 65
第七章 結論與建議 66
7.1 結論 66
7.2 建議 67
參考文獻 68


圖目錄
圖1.1社子橋外觀以及橋塔幾何形狀圖 72
圖2.1斷面模型受風下的自由度表示 73
圖2.2橋樑扭轉不穩定示意圖 74
圖2.3風力系數方向定義 74
圖2.4各類型斷面之顫振導數 75
圖3.1社子橋數值橋樑示意圖 76
圖3.2數值分析模擬橋樑 76
圖4.1(1)第一垂直振態 77
圖4.1(2)第一扭轉振態 77
圖5.1網格22cm柵板 78
圖5.2社子橋橋鋼構造原型斷面圖 78
圖5.3 Model A斷面尺寸圖 79
圖5.4 Model B尺寸圖 79
圖5.5(1)社子橋樑欄杆示意圖 80
圖5.5(2)社子橋樑欄杆示意圖 80
圖5.6(1) Model B架設完成圖 81
圖5.6(2) Model B架設完成圖 81
圖5.7 儀器的配置流程圖 82
圖5.8模型的架構圖 83
圖5.9模型架設完成圖 84
圖5.10風力係數實驗架構圖 84
圖5.11抖振實驗砝碼加重示意圖 85
圖5.12實驗數值分析流程圖 86
圖6.1淡江大學風洞尺寸圖 87
圖6.2 顫振導數實驗結果圖 88
圖6.3 顫振導數實驗結果圖 88
圖6.4 顫振導數實驗結果圖 89
圖6.5 顫振導數實驗結果圖 89
圖6.6 顫振導數實驗結果圖 90
圖6.7 顫振導數實驗結果圖 90
圖6.8風力系數Cd實驗結果圖 91
圖6.9風力系數Cl實驗結果圖 91
圖6.10風力系數Cm實驗結果圖 92
圖6.11(1)全橋實驗扭轉反應 92
圖6.11(2)全橋實驗垂直反應 93
圖6.12經由相似性轉換之全橋實場扭轉反應 93
圖6.13經由相似性轉換之全橋實場垂直反應 94
圖6.14經由相似性轉換之斷面扭轉反應(紊流8%) 94
圖6.15經由相似性轉換之斷面實場扭轉反應(紊流8%) 95
圖6.16斷面垂直反應(紊流8%) 95
圖6.17經由相似性轉換之斷面實場垂直反應(紊流8%) 96
圖6.18(1) 經由相似性轉換之實場垂直反應綜合圖 96
圖6.18(2) 經由相似性轉換之實場扭轉反應綜合圖 97
圖6.19(1) 經由相似性轉換之實驗和數值垂直比較圖 97
圖6.19(2) 經由相似性轉換之實驗和數值扭轉比較圖 98
圖6.20臨界風速測量反應圖 98




表目錄
表 2.1 顫振導數代表之物理意義 99
表 3.1社子橋橋樑主樑斷面性質 100
表 3.2社子橋橋塔斷面性質 101
表 3.3社子橋橋樑鋼纜斷面性質 102
表 3.4社子橋橋樑數值模型之前五振態 102
表 5.1實驗之模擬縮尺參數一覽表 103
表 5.2 Model A與社子橋橋樑結構性質之比較 104
表 6.1 模型B和京都大學風力系數實驗比較表 105
表 6.2 不同地況粗糙長度跟紊流關係表 105
表 6.3 台北市50年回歸期設計風速實驗和數值抖振反應表 106

參考文獻 參考文獻
1. Simiu, E. and Scanlan, R. H.,“Wind Effects on Structures, ” John Wiley & Sons. (1986).
2. Hikami, Y. and Shiraishi, N., “Rain-Wind Induced Vibrations of Cable Stayed Bridges,”Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 29, pp.409-418(1988).
3. Yoshimura, T., Savage, M. G., Tanaka, H. and Wakasa, T., “A device for suppressing wake galloping of stayed-cables for cable-stayed bridges,”Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 49, pp.497-506(1993).
4. 台北市政府工務局新建工程處,“社子大橋新建工程第一期第一標細部設計圖”(2008).
5. Santo, H. P., Branco, F. B., “Wind forces on bridges – numerical vs. experimental methods,” Journal of Wind Eng. and Industrial Aerodynamics, Vol 32, pp. 145-159 (1989).
6. Scanlan, R. H. and Tomko, J. J., “Airfoil and Bridge Deck Flutter Derivatives,” Journal of Eng. Mech. Div., ASCE, Vol. 97, pp.1717-1737 (1971).
7. Scanlan, R. H., “Interpreting Aeroelastic Models of Cable-Stayed Bridges, ” Journal of Engineering Mechanics, ASCE, Vol. 113(4), pp. 555-576 (1987).
8. Scanlan, R. H. and Gade, R. H., “Motion of Suspended Bridge Spans under Gusty Wind, ”Journal of the Structural Division, ASCE, pp.1867-1883 (1977).
9. Modification On Aerodynamics of a Cable-Stayed Bridge Deck,” Journal of Wind Eng. and Industrial Aerodynamics, Vol 26, pp. 325-339 (1987).
10. Santo, H. P., Branco, F. B., “Wind forces on bridges – numerical vs. experimental methods,” Journal of Wind Eng. and Industrial Aerodynamics, Vol 32, pp. 145-159 (1989).
11. Harold R. Bosch, “Section Model Studies of The Deer Isle-Sedgwick Suspension Bridge” Journal of Wind Eng. and Industrial Aerodynamics, Vol 36, pp. 601-610 (1990)
12. Nagao, F., Utsunomiya, H., Oryu, T. and Manabe, S., “Aerodynamic Efficiency of Triangular Fairing on Box Girder Bridge,” Journal of Wind Eng. and Industrial Aerodynamics, Vol 49, pp. 565-574 (1993).
13. Matsumoto, M. Yoshizumi, F., Yabutani, T., Abe, K. and Nakajima, N., “Flutter Stabilization and Heaving-Branch Flutter,” Journal of Wind Eng. and Industrial Aerodynamics, Vol 83, pp. 289-299 (1999).
14. Bogusz Bienkiewicz*,Jack E.Cermak and Jon A. Peterka, “Wind-Tunnel Study of Aerodynamic Stability and Response of A Cable-Stayed Bridge Deck,” Journal of Wind Eng. and Industrial Aerodynamics, Vol 26, pp. 341-352 (1987).
15. Nagao, F., Utsunomiya, H., Yoshioka, E., Ikeuchi, A. and Kobayashi, H., “Effects of Handrails on Separated Shear Flow and Vortex-Induced Oscillation,” Journal of Wind Eng. and Industrial Aerodynamics, Vol 69-71, pp. 819-827 (1997).
16. Gu, M., Xiang, H. and Lin, Z., “Flutter- and Buffeting-Based for Long-Span Bridges,” Journal of Wind Eng. and Industrial Aerodynamics, Vol 80, pp. 373-382 (1999).
17. Strψmmen, E., Hjorth-Hansen, E., Hansen, S. O. and Jakobsen, J. B., “Aerodynamic Investigations for The Tender Design Concepts of The ψresund Cable-Stayed Bridge,” Journal of Wind Eng. and Industrial Aerodynamics, Vol 80, pp. 351-372 (1999).
18. Nagao, F., Utsunomiya, H., Oryu, T. and Manabe, S., “Aerodynamic Efficiency of Triangular Fairing on Box Girder Bridge,” Journal of Wind Eng. and Industrial Aerodynamics, Vol 49, pp. 565-574 (1993).
19. 藍倉連,“斷面寬深比對長跨徑橋梁顫振與抖振的影響”,私立淡江大學土木工程研究所碩士論文(2001)
20. 藍朝園,“斷面寬深比對橋樑抖振之影響”,私立淡江大學土木工程研究所碩士論文(2002)
21. Kaimal, J. C., , "Spectrum Charactertics of Surface-Layer Turbulence," J. Royal Meteorol. Soc., 98, pp.563-589(1972)
22. Lumley, J. L. and Panofsky, H. A., 1964, ”The Structure of Atmospheric Turbulence”, Wiley, New York.
23. Liepmann, R. W.,"On the application of statistical concept to the buffeting problem," J. Aero. Sci ., Vol.19, No.12 (1952).
24. Vickery, B. J.,"On the flow behind a coarse gris and its use a modal of atomspheric turbulence in studies related to wind load on building," N. P. L. Aero. Report 1143 (1965).
25. Scanlan, R. H., “Aeroelastic Simulation of Bridges,” Journal of Structure Engineering,Vol.109,No.12,pp. 2829-2837 (1983).
26. 26.H.Tanaka, “Similitude and Modelling in Wind Tunnel Test of Bridges,” Journal of Wind Eng. and Industrial Aerodynamics, Vol 33, pp. 283-300 (1990).
27. 蘇佳禾,“斜張橋斷面模型與全橋模型風洞實驗之比較研究”,私立淡江大學土木工程研究所碩士論文 (2004)。
28. 蔡子文,“斜張橋受風力載重之動力分析”,私立淡江大學土木工程研究所碩士論文 (1994)。
29. Professor of Engineering University of Cambridge“Random Vibration Spectral and Wavelet analysis”3rd Edition,D.E.Newland
30. 鍾維泰,“不同平板斷面隊長跨徑橋樑氣動力行為之探討”,私立淡江大學土木工程研究所碩士論文(2003)
31. 胡英彥,“風攻角和紊流場對長跨徑橋梁顫振臨界風速的影響”,私立淡江大學土木工程研究所碩士論文(2000)
32. Irwin,H.P.A.H., “Centre of Rotation for Torsion Vibration of Bridges”, ” Journal of Wind Eng. and Industrial Aerodynamics, Vol. 7, pp. 361-366 (1981).
33. 斜張橋耐風穩定分析與風洞試驗 “第一階段風洞試驗成果報告書” (2009 3月).
論文使用權限
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