淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
進階搜尋


下載電子全文限經由淡江IP使用) 
系統識別號 U0002-1512201014000700
中文論文名稱 系統識別在全橋模型風洞試驗之應用
英文論文名稱 Application of System Identification on Full Bridge Model Test in Wind Tunnel
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 1
出版年 100
研究生中文姓名 任彥銘
研究生英文姓名 Yen-Ming Jen
學號 696380525
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-12-10
論文頁數 95頁
口試委員 指導教授-林堉溢
委員-陳振華
委員-鄭啟明
委員-林堉溢
中文關鍵字 斜張橋  隨機遞減法  全橋模型風洞試驗  氣動力效應  顫振導數 
英文關鍵字 cable-stayed bridge  random decrement method  full bridge model test  aerodynamic effects  flutter derivatives 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 橋樑受風的相關研究主要為風洞試驗,而試驗的內容包括橋樑斷面模型和全橋模型風洞試驗,利用模擬風場特性來量得橋樑縮尺後的反應,並求得風力係數和顫振導數,再經由轉換預測橋樑真實的結構反應。但我們並不完全了解這些實驗所計算出來的顫振導數,是否真實的模擬對應到全橋上。因此,本文主要探討的方向,係藉由全橋模型風洞試驗與實場量測的反應,來分析顫振導數,再與斷面模型實驗做比較,探討兩者的差異。
在系統識別方面,本文的識別流程係把振態分割觀念加入隨機遞減法(RD法),並識別出各振態不同風速下的自然頻率與阻尼比,再代入橋體運動方程式,計算出無耦合下的顫振導數(H1*、A2*、A3*、P1*),最後把全橋模型風洞試驗以及實場量測分析出來的顫振導數結果,與斷面模型試驗兩相比較。
由研究結果可知,斷面實驗所得到的顫振導數(H1*、A2*、A3*),以及由近似公式算出的顫振導數(P1*),其氣動力效應相對上比從全橋模型風洞試驗和實場量測得到的氣動力效應來得大。
英文摘要 Regarding the wind effects on bridges, wind tunnel tests have been most important tools. Specifically, wind tunnel tests include section model and full bridge model tests, in which the characteristics of the wind field are simulated as well. Then, the response of the bridge scale is measured and the coefficients and flutter derivatives of the wind are obtained. Nevertheless, we do not know exactly whether the flutter derivatives derived from section modal tests correspond to the real aerodynamic behavior of the whole bridge. Correspondingly, this study adopts the full-bridge model wind tunnel tests and the results of field measurements in order to analyze the flutter derivatives. In turn, the results are compared with those obtained form the section model tests and the differences between the two sets of results are discussed.
As far as the system identification is concerned, this study applies the modal splitting concept to the random decrement method (RD method) in order to identify the natural frequencies and damping ratios of different modes at various wind speeds. Then, these data are substituted into the equation of bridge motion to obtain uncouple flutter derivatives (H1*、A2*、A3*、P1*). Eventually, the flutter derivatives derived from both the full-bridge model tests and the field measurements are compared with the results from the bridge section model test.
Based on the research findings, the aerodynamic effects of both the flutter derivatives obtained from a section model tests experiment (H1*、A2*、A3*) and the flutter derivatives calculated from an approximate formula (P1*) are shown relatively larger than those derived from the full-bridge model tests and field measurements.
論文目次 目錄
目錄 I
表目錄 II
圖目錄 III
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 研究內容 3
1.4 論文架構 4
第二章 文獻回顧 6
2.1 前言 6
2.2 FDD識別法 6
2.3 RD識別法 8
2.4 斷面模型顫振導數識別 9
2.5 全橋試驗顫振導數識別 10
第三章 理論背景 11
3.1 前言 11
3.2 傅利葉振幅譜 11
3.3 FDD識別理論 12
3.3.1 FDD識別之理論背景 12
3.3.2 FDD識別流程 15
3.3.3 實場FDD識別流程 17
3.4 RD識別理論 18
3.4.1 RD法 18
3.4.2 單自由度系統 19
3.4.3 多自由度系統 22
3.4.4 RD法數值驗證 23
3.4.5 全橋實驗RD法識別流程 24
3.5 橋樑受風反應之分析模式 25
3.5.1 自身擾動力(Self-Excited Force) 25
3.5.2 抖振力(Buffeting Force) 26
3.6 橋體運動方程式之推導 27
3.6.1 顫振反應 27
3.6.2 抖振反應 29
3.6.3 垂直向(lift) 30
3.6.4 順風向(drag) 30
3.6.5 扭轉向(moment) 31
3.7 全橋顫振導數識別 31
3.7.1 垂直向(lift)顫振導數識別 32
3.7.2 順風向(drag)顫振導數識別 33
3.7.3 扭轉向(moment)顫振導數識別 34
第四章 全橋系統識別與顫振導數分析 35
4.1 前言 35
4.2 全橋系統識別 35
4.2.1 社子橋 35
4.2.1.1結構特性與模擬 36
4.2.1.2全橋模型風洞試驗 36
4.2.1.3斷面模型風洞試驗 37
4.2.1.4以RD法識別結構參數 37
4.2.2 高屏溪橋 39
4.2.2.1結構特性與模擬 39
4.2.2.2現地儀器配置 40

4.2.2.3斷面模型風洞試驗 40
4.2.2.4以FDD法識別結構參數 40
4.3 顫振導數分析 42
4.3.1全橋模型風洞試驗 42
4.3.1.1垂直向(lift)顫振導數識別 42
4.3.1.2順風向(drag)顫振導數識別 43
4.3.1.3扭轉向(moment)顫振導數識別 44
4.3.2 實場量測 45
4.4 結果討論與比較 46
第五章 結論與建議 52
5.1 結論 52
5.2 建議 54
第六章 參考文獻 55


表目錄
表3-1 FDD及RD識別之前五個模態自然頻率 60
表3-2 FDD及RD識別之前五個模態阻尼比 60
表3-3氣動力參數代表的意義 61
表4-1社子橋數值模型前六個振態 62
表4-2社子橋全橋模型各項縮尺比例關係 62
表4-3社子橋全橋模型試驗之實驗內容 63
表4-4高屏溪橋數值模型前六個振態 63
表4-5全橋參考資料 63
表4-6全橋主樑斷面性質 64
表4-7社子橋模態質量與振態積分參數 64
表4-8高屏溪橋實場資料分析 65
表4-9高屏溪橋2007年有紀錄到侵台颱風 65

圖目錄
圖3-1 FDD法分析流程圖 66
圖3-2多自由度RD法分析流程圖 67
圖3-3傅利葉頻譜切割圖 68
圖3-4時間歷時圖 68
圖3-5反應歷時圖 69
圖3-6 RD訊號曲線 69
圖3-7橋面版節點與單位長度受風力之示意圖 70
圖4-1社子橋之幾何形狀 71
圖4-2社子橋有限元素模型 72
圖4-3風向角示意圖(橋梁俯視圖) 72
圖4-4風攻角示意圖(橋面版斷面圖) 73
圖4-5社子橋雷射位移器架設位置示意圖 73
圖4-6社子橋雷射位移器架設位置 74
圖4-7傅利葉頻譜 74
圖4-8高屏溪橋之幾何形狀 75
圖4-9高屏溪橋有限元素數值模型 75
圖4-10高屏溪橋長期監測系統架設位置圖 76
圖4-11振動量測的自由度設定圖 76
圖4-12高屏溪橋風向與橋軸方向示意圖 77
圖4-13社子橋垂直向第一振態風速與自然頻率關係(風攻角) 78
圖4-14社子橋垂直向第一振態風速與阻尼比關係(風攻角) 78
圖4-15社子橋順風向第一振態風速與自然頻率關係(風攻角) 79
圖4-16社子橋順風向第一振態風速與阻尼比關係(風攻角) 79
圖4-17社子橋扭轉向第一振態風速與自然頻率關係(風攻角) 80
圖4-18社子橋扭轉向第一振態風速與阻尼比關係(風攻角) 80
圖4-19社子橋垂直向第一振態風速與自然頻率關係(風向角) 81
圖4-20社子橋垂直向第一振態風速與阻尼比關係(風向角) 81
圖4-21社子橋順風向第一振態風速與自然頻率關係(風向角) 82
圖4-22社子橋順風向第一振態風速與阻尼比關係(風向角) 82
圖4-23社子橋扭轉向第一振態風速與自然頻率關係(風向角) 83
圖4-24社子橋扭轉向第一振態風速與阻尼比關係(風向角) 83
圖4-25社子橋垂直向第二振態風速與自然頻率關係(風向角) 84
圖4-26社子橋垂直向第二振態風速與阻尼比關係(風向角) 84
圖4-27帕布颱風垂直向第一振態風速與自然頻率關係 85
圖4-28帕布颱風垂直向第一振態風速與阻尼比關係 85
圖4-29帕布颱風順風向第一振態風速與自然頻率關係 86
圖4-30帕布颱風順風向第一振態風速與阻尼比關係 86
圖4-31帕布颱風扭轉向第一振態風速與自然頻率關係 87
圖4-32帕布颱風扭轉向第一振態風速與阻尼比關係 87
圖4-33全橋模型試驗與斷面模型試驗顫振導數H_1^*比較圖 88
圖4-34全橋模型試驗與Scanlan近似公式顫振導數P_1^*比較圖 88
圖4-35全橋模型試驗與斷面模型試驗顫振導數A_2^*比較圖 89
圖4-36全橋模型試驗與斷面模型試驗顫振導數A_3^*比較圖 89
圖4-37實場量測與斷面模型試驗顫振導數H_1^*比較圖 90
圖4-38實場量測與斷面模型試驗顫振導數P_1^*比較圖 90
圖4-39實場量測與斷面模型試驗顫振導數A_2^*比較圖 91
圖4-40實場量測與斷面模型試驗顫振導數A_3^*比較圖 91
圖4-41實場量測與斷面模型試驗顫振導數H_1^*比較圖 92
圖4-42實場量測與斷面模型試驗顫振導數P_1^*比較圖 92
圖4-43實場量測與斷面模型試驗顫振導數A_2^*比較圖 93
圖4-44實場量測與斷面模型試驗顫振導數A_3^*比較圖 93
圖4-45實場量測與斷面模型試驗顫振導數H_1^*比較圖 94
圖4-46實場量測與斷面模型試驗顫振導數P_1^*比較圖 94
圖4-47實場量測與斷面模型試驗顫振導數A_2^*比較圖 95
圖4-48實場量測與斷面模型試驗顫振導數A_3^*比較圖 95



參考文獻 參考文獻
1. Simiu, E. and Scanlan, R. H.,“Wind Effects on Structures, ”John Wiley & Sons. (1986).
2. Bendat, J. S. and Piersol, A. G. “Engineering Applications of Correl-eration and Spectral Analysis,” (1993).
3. Brincker, R., Zhang, L., and Andersen P., ”Output-Only Modal Analysis by Frequency Domain Decomposition,” in Proceeding Of the ISMA25 Conference in Leuven(2000).
4. Brincker, R., and Andersen P., ‘‘Ambient response analysis of the Heritage Court Tower building structure” Proc 18th Int. Modal Analysis Conf.(San Antonio,TX,7-10 February,2000).
5. Brian, M. and Mehdi, B.,” OMA test by SLDV with FEM Pre and POST-test Analysis.”, (2002).
6. Brincker, R.,Frandsen J .and Andersen P. “Ambient response analysis of the Great Belt Bridge”Proc 18th Int. Modal Analysis Conf. (San Antonio,TX,7-10 February,2000).
7. Brincker, R., Carlos E., Ventura and Palle Andersen, “Damping Esti-mation by Frequency Domain Decomposition”,(2002).
8. Cole, H. A., “Methods and Apparatus for Measuring the Damping Characteristics of a Structure,” United States Patent No.3-620-069(1979)
9. Vandiver, J. K., Dunwoody, A. B., Campbell, R. B., and Cook, M.F., “A Mathematical Basis for the Random Decrement Vibration Signat-ure Analysis Technique,” Journal of Mechanical Design, Vol 104, pp.307-313(1982).
10. Bedewi, N. E.,“ The Mathematical foundation of the Auto and Cross-Random Decrement Techniques and the Development of a System Identification Technique for the Detection of Structural Deterioration,”Ph. D Thesis, University of Maryland College Park,(1986)
11. 黃炯憲、葉錦勳、林憲忠、葉公贊,「隨機遞減法在微震量測之應用-比例阻尼系統」,國家地震工程研究中心研究報告NCREE-96-013,台北(1996)。
12. Ku, C. J., Cermak, J. E., and Chou, L. S.,“Random Decrement Based Method for Modal Parameter Identification of a Dynamic System Using Acceleration Responses,’’ Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 95, pp.389-410(2007).
13. P. D. Spanos and B. A. Zeldin, 1998, Generalized Random Decrement Method for Analysis of Vibration Data, Journal of Vibration and Acoustics, ASME, Vol. 120, No. 3, pp. 806-813.
14. S. R. Ibrahim, J. G. Asmussen, and R. Brincker, 1998, Vector Triggering Random Decrement for High Identification Accuracy, Journal of Vibration and Acoustics, ASME, Vol. 120, No. 4, pp. 970-975.
15. 廖釗銨,「以鋼纜微振量測資料應用多重隨機遞減法進行斜張橋鋼纜與橋體之振態參數識別」,國立雲林科技大學營建工程研究所碩士論文(2007)。
16. 許木勝,「根據微振訊號應用多重隨機遞減法進行房屋結構之振態參數識別」,國立雲林科技大學營建工程研究所碩士論文(2008)。
17. Q. Qin, H. B. Li, L. Z. Qian, and C. K. Lau, 2002, Modal Identification of Tsing Ma Bridge by Using Improved Eigensystem Realization Algorithm, Journal of Sound and Vibration, Vol. 247, No. 2, pp. 325-341.
18. J. W. Lee, J. D. Kim, C. B. Yun, J. H. Yi, and J. M. Shim, 2002, Health-monitoring Method for Bridges under Ordinary Traffic Loadings, Journal of Sound and Vibration, Vol. 257, No. 2, pp. 247-264.
19. Ahmed A.Elshafey a,b, MahmoudR.Haddara c, _, H.Marzouk c ,”Identification of the excitation and reaction forces on offshore platforms using the random decrement technique”, Ocean Engineering 36 (2009) 521–528.
20. Tamura, Y., Zhang, L., Yoshida, A., Nakata, S., and Itoh, T., ‘‘Ambient vibration test and modal identification of structures by FDD and 2DOF-RD sechnique,” SEWC, Yokohama, Japan(2002).
21. Jorge Rodrigues, Rune Brincker,“Application of Random Decrement Technique in Operational Modal Analysis”.
22. Scanlan R. H. and Tomko J. J. ,”Airfoil and Bridge Deck Flutter Derivatives,” J. of Eng. Mech. Div. ,1971, December, Vol.97,p.1717-1737.
23. Emil Simiu, P.E. and Robert H. Scanlan, P.E. “Wind Effects on Structures”,John Wiley&Sons(1986).
24. Robert H. Scanlan, “Interpreting Aeroelastic Models of Cable-Stayed Bridges” ASCE, (1987).
25. Diana G, Cheli F, Zasso A. “Suspension bridge parameter identification in full scale test”, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn.,1992, 41-44: 165-176.
26. A. Zasso*, A. Cigada, S. Negri , “Flutter derivatives identification through full bridge aeroelastic model transfer function analysis” Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,Vol 60,pp17-33, (1996)
27. 許福友、陳艾榮,「全橋氣彈模型顫振導數識別」,土木工程學報 第40卷第7期(2007)。
28. Bendat J S and Piersol A G, “ Random Data, Analysis and Measur-ement Procedures”(New York:Wiley), (1986).
29. N. Fukuwa*, R. Nishizaka, S. Yagi, K. Tanaka, Y. Tamura, “Field measurement of damping and natural frequency of an actual steel-framed building over a wide range of amplitudes” Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,Vol 59,pp325-347, (1996).
30. Ku, C. J., Cermak, J. E., and Chou, L. S.,“Random Decrement Based Method for Modal Parameter Identification of a Dynamic System Using Acceleration Responses,’’ Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 95, pp.389-410(2007).
31. 黃永昇,「微動訊號之處理與應用」,國立成功大學土木工程研究所碩士論文(2000)。
32. 呂宏猷,「結構微振資料之模態參數識別」,國立成功大學土木工程研究所碩士論文(2009)。
33. 吳國鼎,「紊流場對長跨徑橋梁顫振與抖振之影響」,私立淡江大學土木工程研究所碩士論文(2001)。
34. 謝孟融,「以FDD之方法識別橋樑斷面之顫振導數」,私立淡江大學土木工程研究所碩士論文(2006)。
35. 蕭紋欣,「以實場量測方法探討斜張橋氣動力行為」,私立淡江大學土木工程研究所碩士論文(2007)。
36. 鄭詩穎,「高屏溪斜張橋受風之實場量測與理論分析的比較研究」,私立淡江大學土木工程研究所碩士論文(2008)。
37. 鄭啟明、林堉溢、黃明慧、蔡明樹、鄭詩穎,「春原營造社子大橋風洞試驗評估工作成果報告」,淡江大學風工程研究中心(2010)。
38. 「斜張橋耐風穩定分析與風洞試驗斷面試驗成果報告書」,台灣世曦工程顧問股份有限公司(2009)。
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2010-12-16公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2010-12-16起公開。


  • 若您有任何疑問,請與我們聯絡!
    圖書館: 請來電 (02)2621-5656 轉 2281 或 來信