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建築研究簡訊第95期 《業務報導》

吊橋全橋風洞試驗介紹

       臺灣地區處於季風及颱風盛行之西太平洋區域,往年的風災對於國內產業甚至民眾生命及財產安全造成損害,但早年對於風災研究所投入之人力、物力及財力常不及於其他天然災害。而隨著國內社會對於公共安全的日益重視,本所為建立國家級建築實驗設施,加速建築相關研究與提升民生安全品質等方面,遂於民國93年建置本所風洞實驗室。

       本所風洞實驗室為(如圖1)一循環式風洞,具有上下兩個測試段,兩測試斷面分為檢測研究用途(第一測試區:4m×2.6m×36.5m)與橋梁測試用途(第二測試區:6m×2.6m×21m),本案於第二試驗段進行,將測試件安裝於距入口15m 處進行吹試。使用之儀器主要為雷射位移計、熱線式風速計與加速度量測系統(依序為圖2上、左下及右下)。

圖1.內政部建築研究所環境風洞示意圖

圖2.儀器設備示意圖

       橋梁風洞試驗可分為斷面試驗與全橋試驗兩部分,本文針對全橋試驗進行介紹。全橋試驗乃製作具相似性之全橋及地形縮尺模型,安裝於風洞試驗段進行試驗,模擬出全橋受風振動行為。本案以實際案例橋梁跨度196m,距下方河谷151m之人行吊橋進行解說:

      由現地勘查與測繪作業等方式得到橋址現地地形資料後,尚需訂定實驗風場與模型縮尺方能進行橋梁模型設計作業。風場方面,引用「建築物耐風設計規範及解說」本案例所在地區以50年為回歸週期、離地面10m之平均10分鐘基本設計風速(V10)為47.5m/s,計算500年回歸期設計風速(V500)為61.9m/s。本案吊橋興建位址在河谷上方151m處,通過下式計算得到500年回歸期設計風速為93.1m/s。

 


       進行縮尺模型風洞實驗時,為符合實際橋梁結構特性,須遵守模型氣彈力相似性模擬原則。相關物理特性經由因次分析(dimensional analysis),可得到模擬相似率參數,再依此參數進行模型設計。表1為本案例之縮尺參數:

表1.橋梁模型各項參數縮尺比例關係

長度縮尺

1/50

速度縮尺

1/√50

頻率縮尺

√50

時間縮尺

1/√50

密度縮尺

1

單位長度質量縮尺

1/502

單位長度轉動慣量縮尺

1/504

總質量縮尺

1/503

轉動慣量縮尺

1/505

       受限風洞測試段尺寸無法含入全區地形,因此橋面板僅架高在地面上方1公尺,換算實場為50公尺。山體依照該區域等高線使用保麗龍製作山體模型,製作範圍(如圖3所示)。外層再使用紙材包覆,使外型階梯形狀順平(如圖4所示)。

圖3.山體製作範圍

圖4.山體模型局部

       根據設計圖面製作1/50縮尺模型。在簡化縮尺模型製作時,仍需保有與原型橋梁相似結構動力特性。外觀細節與原型橋梁相似,保有與原型橋梁相同之受風特性。

       考慮橋體尺寸與重量縮尺與質量分佈,主梁以鋼材製作,橋體外觀模型使用壓克力製作。組裝完畢後量測與調整第1、2、3垂直向(Mode 2、Mode 3、Mode 10)和第1水平向(順風向,Mode 1)自然模態頻率與結構阻尼,與橋梁原設計圖經數值模擬後得出的振態分析結果相符,使得全橋模型在一定程度上可以表現出原始橋梁之動態反應(如表2)。

表2.原型橋梁與全橋模型結構基本震態資料

 

有限元素分析結果

目標縮尺結果

實際量測結果

誤差(%)

阻尼比(%)

第一水平向振態

(mode 1)

0.423 Hz

2.991 Hz

3.184

6.49

0.79

第一垂直向振態

(mode 2)

0.511 Hz

3.570 Hz

3.651

2.27

0.50

第二垂直向振態

(mode 3)

0.572 Hz

4.043

4.876

20.69

0.46

第三垂直向振態

(mode 10)

1.081 Hz

7.644

7.327

-4.1

0.29

       橋梁風洞試驗前需確認風場特性,故先進行風場量測,量測位置如圖5所示,使用三維熱線探針量測進行量測,實際量測情況如圖6和圖7所示。

圖5.風場量位置

圖6.風場量測-風速計架設狀況(1)

圖7.風場量測-風速計架設狀況(2)

       風場量測結果列於表3,以橋體中心速度作為無因次化標準速度,由順風向無因次風速(un)結果得知,在各位置順風向風速變化不明顯。紊流強度部份,各位置之量測結果皆不大於5%。

表3.風場量測結果

 

uave

ustd

vave

vstd

wave

wstd

un

T.I.u

T.I.v

T.I.w

z/h = 1.1

y/L = -0.25

14.19

0.25

0.19

0.32

0.13

0.27

1.04

1.78%

2.25%

1.92%

z/h = 1.0

y/L = -0.25

14.25

0.25

0.17

0.33

0.11

0.26

1.04

1.72%

2.32%

1.82%

z/h = 0.9

y/L = -0.25

14.32

0.23

0.12

0.32

0.04

0.26

1.05

1.61%

2.22%

1.81%

z/h = 1.1

y/L = 0

13.46

0.41

-1.20

0.38

-0.39

0.37

0.99

3.01%

2.79%

2.71%

z/h = 1.0

y/L = 0

13.64

0.34

-1.19

0.33

-0.38

0.33

1.00

2.51%

2.45%

2.40%

z/h = 0.9

y/L = 0

13.81

0.29

-1.17

0.30

-0.37

0.31

1.01

2.12%

2.14%

2.21%

z/h = 1.1

y/L = 0.25

12.98

0.63

-2.81

0.43

0.07

0.51

0.95

4.82%

3.33%

3.89%

z/h = 1.0

y/L = 0.25

13.33

0.60

-2.79

0.44

0.05

0.49

0.98

4.49%

3.28%

3.66%

z/h = 0.9

y/L = 0.25

13.76

0.51

-2.75

0.38

-0.03

0.43

1.01

3.72%

2.73%

3.12%

       風場量測完畢後即安裝橋梁模型,並量測與調整模型自然模態頻率接近縮尺橋梁有限元素分析之自然模態頻率。結構特性確認完畢後,在橋體周邊裝設雷射位移計(如圖8)。量測各風速下橋體之振動反應,觀察橋梁模型是否產生渦致共振。

圖8.全橋模型及儀器架設狀況

       圖9為還原至現地之風速與擾動位移結果,由圖可發現擾動振動於500年回歸期內皆不大於5公分,並無出現氣動不穩定之現象。而於共振風速(約為8.5m/s)處附近,橋梁模型亦無出現共振放大反應之現象。

圖9.擾動位移量測結果

        圖10則為平均之位移結果,垂直向定義向下為負,水平向則為向後為負。結果顯示y/L = -0.25處之結果約略隨風速上升而有下沉之現象,但於風速80m/s後維持於40cm左右。而y/L = 0與y/L = 0.25則於60m/s前隨風速上升而下降,但於60m/s後則往上浮升,但仍維持於-10cm處左右,僅y/L=0處於99.38m/s時轉為5.45m之抬升。而水平向則隨風速上升向後偏移,於測試還原之最高風速99.38m/s時向後位移達到166.59cm。

圖10.平均位移量測結果

       風洞實驗使用之縮尺模型因經過相似率計算,其結構特性與原型橋梁相近,實驗時流場亦考慮橋址之地形效應,製作相符之地貌模型模擬現地流場,綜上所述,全橋風洞實驗之結果能夠模擬實際橋梁之動態反應。此案中實驗得到以下3項結論:

  1. 於試驗中,在可能發生渦致振動之低風速區內,並無觀察到橋梁共振之現象,位移反應亦無明顯放大現象,由此結果可得知本案並無發生渦致振動之顧慮。
  2. 試驗結果表示本案於500年回歸期風速下仍有不錯之氣動穩定性,無產生顫振現象。
  3. 於最高實驗風速時,橋體中心位置水平向平均位移為1.66m(0.8%);垂直向位移為0.417m(0.2%),其位移變化在合理範圍(變化量<全橋跨徑1%),橋體不會產生破壞,表示此橋體符合500年回歸期風速設計。

       透過完整之規劃與實驗,本所風洞實驗室可為業主提供如上之相關資料做為橋梁安全設計、行人舒適度以及遭遇風災時安全管理之參考,並期許能透過產官學之共同配合為業界及社會大眾盡一份心力。