[[alternative]]Application of system identification on full bridge model test in wind tunnel

碩士[[abstract]]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。[[abstract]]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.[[tableofcontents]]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[[note]]學號: 696380525, 學年度: 9