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系統識別號 U0002-2708200522355300
中文論文名稱 應用白噪音強制振動於橋面板之顫振導數系統識別
英文論文名稱 Identification of Flutter Derivatives of Bridge Decks by White-Noise Forced Oscillation Method
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 93
學期 2
出版年 94
研究生中文姓名 劉韋成
研究生英文姓名 Wei-Chen Liu
學號 692310856
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2005-06-29
論文頁數 102頁
口試委員 指導教授-吳重成
委員-陳振華
委員-鄭啟明
中文關鍵字 橋樑  顫振導數  氣動力阻尼  白噪音強制振動  氣彈互制  基因演算法 
英文關鍵字 Bridge  Flutter Derivatives  Aerodynamic Damping  White-Noise Forced Vibration  Aeroelasticity  Genetic Algorithm 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 在風工程的領域中,以傳統的自由振動的方法求得橋樑顫振導數之實驗方式與技巧已趨成熟,此種方法在實驗上容易施作,而且所獲得的結果也大都可以達到需求。但根據前人經驗,自由振動的實驗結果有時候會因為渦流顫振(Vortex Shedding)或操作上不嚴謹而產生不可靠的情形。
為改善上述缺點,本文嘗試研擬出一套新的橋樑顫振導數之識別方法,以白噪音強制振動的實驗方式,將橋面版結構連接至一振動平台,透過伺服馬達給予振動平台一白噪音強制振動,量測橋面版受風之後的反應,經由傅立葉轉換後求得橋面版在白噪音強制振動下受風之氣彈互制轉換函數,配合理論的推導分析以及藉助基因演算法求取最佳參數,進行顫振導數之識別。
以寬深比25之削角流線型平板為例,在淡江大學土木系風洞進行顫振導數之識別試驗,並與理論值Theodorsen函數進行比較。識別結果顯示,垂直向顫振導數 、 在各風速下相當一致且 (氣動力阻尼)非常接近理論值;而扭轉向顫振導數 、 則會隨著風速而改變且與理論值差距頗大,其中原因仍待後續研究進一步釐清。
英文摘要 In wind engineering application, the conventional technique using free oscillation method to obtain flutter derivatives of bridge decks has become more mature. This method is easy to use and results are mostly satisfactory in the application. However, based on our past experimental experience, the test results from this method are sometimes unreliable under the circumstances when the influence of vortex shedding is significant or the operations during tests are not cautious.
To improve the reliability of test results, this thesis proposed a new approach of determining the flutter derivatives that uses forced oscillation technique. In the forced oscillation tests, the bridge deck section is connected to a two-axis shaking table driven by two servo-motors, which produces white-noise forced vibration actions in two degree of freedom to the deck. By measuring the response of bridge deck under various wind speeds, the aero-elastic transfer functions of the responses can be computed by using Fourier analysis. The results were curve-fitted to those from theoretical formulation by minimizing the error between each other, in which the Genetic Algorithm is used to locate the optimal parameters. Consequently, the flutter derivatives can be thus derived.
For demonstration, a chamfered bridge deck with width/depth ratio of 25 is constructed and tested in the wind tunnel following the proposed approach. The experimental results show that the flutter derivatives and are consistent for different wind speeds; in particular the aerodynamic damping matches Theodorsen function quite well. However, the flutter derivatives and are not consistent with the wind speed varied. In the future study, further investigations shall be conducted to clarify such an inconsistency.
論文目次 第一章 導論 1
1.1 前言 1
1.2研究動機與目的 2
1.3 文獻回顧 2
1.4 本文架構 4
第二章 大跨度橋樑之受風效應 6
2.1 大跨度橋樑受風之振動行為探討 6
2.1.1 顫振 ( Flutter ) 7
2.1.2 抖振 ( Buffeting ) 8
2.1.3 扭轉不穩定現象 ( Torsional Instability ) 9
2.1.4 渦流顫振 ( Vortex Shedding ) 9
2.1.5 風馳效應 ( Galloping ) 11
2.2 顫振導數及風力係數 11
2.2.1 顫振導數 12
2.2.2 風力係數 13
第三章 強制振動系統識別之相關理論 15
3.1曲線擬合(Curve-Fitting)理論-非參數系統識別 16
3.1.1 廣義之曲線擬合 16
3.1.2 本文運用之曲線擬合 20
3.2 控制典型式(Controllable Canonical Form) 23
3.3 結構物之系統識別 26
3.3.1無風下橋面版受一強制振動之運動方程式 26
3.3.2結構垂直向阻尼比與自然頻率之識別 28
3.3.3結構扭轉向阻尼比與自然頻率之識別 28
3.3.4 橋面版之質量率定 29
3.3.5橋面版之轉動慣量率定 29
3.4 參數最佳化-基因演算法 30
第四章 強制振動之顫振導數識別理論推導 35
4.1 顫振自激力( Flutter Self-excited Force ) 35
4.2 識別理論的推導與分析 42
4.2.1 非耦合項顫振導數之理論推導 42
4.2.2 耦合項顫振導數之理論推導 46
第五章 實驗設備與實驗流程 52
5.1 實驗設備介紹 52
5.1.1 大氣風洞實驗室 52
5.1.2 斷面模型 52
5.1.3 實驗儀器 53
5.1.4 量測系統介紹 54
5.2 實驗流程 55
5.2.1 結構系統識別實驗 56
5.2.2 顫振導數系統識別實驗 59
第六章 實驗結果討論與比較 63
6.1 結構系統識別實驗結果 63
6.1.1 結構質量與轉動慣量之率定 63
6.1.2 結構阻尼與自然頻率之識別 63
6.2 顫振導數系統識別之結果 64
6.2.1 非耦合項顫振導數識別實驗 64
6.2.2 耦合項顫振導數識別實驗 66
6.3 實驗結果討論 67
第七章 結論與展望 69
參考文獻 71
附表 75
附圖 77
表目錄
表2.1 各顫振導數之物理意義 75
表6-1 垂直向氣動力 及垂直向位移h的轉換函數分子與分母 (降冪排列) 76
表6-2 扭轉向氣動力 及扭轉向位移 的轉換函數分子與分母 (降冪排列) 76
圖目錄
圖2.1 扭轉發散幾合示意圖 77
圖2.2 橋樑斷面風力及自由度示意圖 77
圖3.1 量測位移示意圖 78
圖3.3 橋面版受一強制振動之示意圖 79
圖3.4 基因演算法演化流程圖 80
圖4.1 橋面版同時承受強制振動與風力作用示意圖 81
圖5.1 淡江大學風洞實驗室配置圖 82
圖5.2 實驗用之橋面板(B/D=25) 83
圖5.3 雷射位移計(LB-301) 83
圖5.4 雷射位移計(ANR1226) 84
圖5.5 皮托管 84
圖5.6 二軸平台之馬達 85
圖5.7 振動平台架設圖 85
圖5.8 OROS頻譜分析儀 86
圖5.9 LabView儀控程式 86
圖6.1 結構質量率定曲線 87
圖6.2 結構轉動慣量率定曲線 87
圖6.3 結構垂直向轉換函數 88
圖6.4 結構非耦合扭轉向轉換函數 89
圖6.5 結構耦合扭轉向轉換函數 90
圖6.6 各風速下之顫振導數 91
圖6.7 各風速之平均 與Theodorsen Function之 91
圖6.8 各風速下之顫振導數 92
圖6.9 各風速之平均 與Theodorsen Function之 92
圖6.10 各風速下之顫振導數 93
圖6.11 各風速之平均 與Theodorsen Function之 93
圖6.12 各風速下之顫振導數 94
圖6.13 各風速之平均 與Theodorsen Function之 94
圖6.14 各風速下之顫振導數 95
圖6.15 各風速下之顫振導數 95
圖6.16 各風速下之顫振導數 96
圖6.17 各風速下之顫振導數 96
圖6.18 Theodorsen Function反推各風速下非耦合之轉換函數 97
圖6.19 Theodorsen Function反推各風速下非耦合之轉換函數 97
圖6.20 Theodorsen Function反推各風速下耦合之轉換函數 98
圖6.21 Theodorsen Function反推各風速下耦合之轉換函數 98
圖6.22 Theodorsen Function反推各風速下耦合之轉換函數 99
圖6.23 Theodorsen Function反推各風速下耦合之轉換函數 99
圖6.24 實驗所得各風速下非耦合之轉換函數 100
圖6.25 實驗所得各風速下非耦合之轉換函數 100
圖6.26 實驗所得各風速下耦合之轉換函數 101
圖6.27 實驗所得各風速下耦合之轉換函數 101
圖6.28 實驗所得各風速下耦合之轉換函數 102
圖6.29 實驗所得各風速下耦合之轉換函數 102
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