臺灣博碩士論文加值系統

本論文的研究內容主要是以風洞斷面模型實驗來探討切角斷面對橋梁斷面受風反應的影響，並藉模型與原型間的反應轉換關係，將結果轉換到模擬的橋樑上。本研究選用兩種主要的斷面形式，一是深度固定角度改變斷面，另一則是角度固定深度改變斷面。然後改變橋梁斷面的切角比與寬深比，每斷面選用4組不同的切角比與寬深比，共有七支模型進行實驗。
由實驗結果得知，對於角度改變系列而言，角度愈大垂直向抖振反應愈小。就扭轉反應而言，切角比對紊流場中扭轉抖振反應並沒有明確趨勢之影響。對於深度改變系列而言，斷面寬深比愈小，垂直向抖振反應愈小。就扭轉反應而言，寬深比對紊流場中扭轉抖振反應並沒有明確趨勢之影響。此外寬深比愈小的斷面，其在低風速下的渦流振動情形愈明顯，而高風速時，因發生顫振而導致破壞所對應的顫振臨界風速也較低。顫振臨界風速判斷下，無論切角之角度變化或是切角之寬深比變化，其趨勢一為角度越小；另一為寬深比較大的斷面，其相對應之臨界風速較高；反之，一為角度越大；另一為寬深比較小的斷面，其相對應之臨界風速則較低，較不穩定。

This main objective of this thesis is to investigate the effect of triangular edge-fairings on the aerodynamic responses of section models through wind tunnel experiments. The results are then used to predict the aerodynamic responses of the prototype bridge. There are two series of bridge decks in the tests. One is the fixed rectangular section with two triangular edge-fairings on both sides. In this series angles of the fairings are varied. The other is the depths of the rectangular sections are varied with a fixed angle of fairings. There are four section models in each series. 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.
For the series of variations of angles of triangular edge-fairings, the experimental results indicate that the vertical buffeting response decreases as the edge angle increases. However, the trend of the torsional responses is not obvious in this series. The flutter wind speed increases as the edge angle decreases. For the series of variations of deck depths, the vertical buffeting response decreases with width-depth ratio. The torsional buffeting response is not sensitive to width-depth ratio. As expected, the flutter wind speed increases with width-depth ratio. The flutter wind speeds respectively obtained from section model test and calculated based on the flutter derivatives are in good agreement.

目錄
目錄------------------------------------------------------------------------------------------Ⅰ
附表目錄------------------------------------------------------------------------------------Ⅴ
附圖目錄------------------------------------------------------------------------------------Ⅵ
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機與目的 1
1-3 研究項目 2
1-4 研究方法 3
1-5 本文內容 4
第二章 文獻回顧 6
2-1 橋樑空氣動力穩定特性 6
2-1.1 扭轉發散（Torsional Divergence） 6
2-1.2 渦流顫動（Votex Induced Vibration） 6
2-1.3 顫振（Flutter） 7
2-1.4 抖振（Buffeting） 8
2-1.5風馳效應(Galloping) 9
2-2 斷面形狀之探討 10
2-2.1 不同幾何斷面形狀 10
2-2.2 斷面寬深比 10
2-2.3 加裝擾流裝置 12
2-3 顫振導數研究發展之沿革 13
2-4 風洞實驗之參考文獻 15
2-4.1 端板效應（End Plate Effect） 15
2-4.2 阻塞比效應（Blockage Ratio Effect） 16
2-4.3 均勻紊流場之模擬 17
2-5 紊流對顫振及抖振的影響 17
第三章 理論背景 19
3-1 均勻紊流場特性 19
3-1.1紊流強度（Turbulence Intensity） 19
3-1.2紊流尺度（Turbulence Length Scale） 19
3-1.3均勻紊流場之模擬 20
3-2 風力係數 22
3-3 橋樑受風載重現象之理論背景 22
3-4 實驗中顫振導數之推導 25
3-5 顫振反應與抖振反應之數值分析 29
3-5.1 運動方程式 30
3-5.2 臨界風速 32
3-5.3 抖振反應之分析 36
3-6 相似性轉換 45
3-6.1 相似性轉換公式推導 45
第四章 實驗設置與採樣分析 51
4-1流場介紹 51
4-1.1平滑流場與均勻紊流場之模擬 51
4-2斷面模型模擬原則 51
4-2.1 斷面模型之製作 51
4-2.2 斷面模型之縮尺 52
4-2.3 斷面模型之相似性原理 53
4-2.4 斷面之模擬 56
4-3實驗儀器介紹 58
4-3.1風速量測 58
4-3.2位移量測 60
4-3.3應變計及訊號放大器 61
4-3.4 轉動慣量之量測 62
4-4模型之數據採樣與分析 63
4-4.1數據採樣 63
4-4.2數據分析 64
4-5實驗流程 64
第五章 實驗結果與討論 65
5-1前言 65
5-2平滑流場下矩形斷面受風之反應 66
5-2.1風力係數 66
5-2.1.1 與斷面B/D=8壓力量測比較【44】、【45】 66
5-2.1.2 寬深比變化探討 67
5-2.2顫振導數 69
5-2.2.1文獻比較 69
5-2.2.2寬深比變化探討 70
5-3平滑流場下削角斷面受風之反應 73
5-3.1 固定深度改變角度變化探討 73
5-3.1.1 風力係數【B/D=6.6 θ=15、30、45、60】 73
5-3.1.2 顫振導數與文獻比較 74
5-3.1.3 顫振導數削角比變化探討【B/D=6.6 θ=15、30、45、60】 75
5-3.1.4 結論 77
5-3.2 固定角度改變深度變化探討【B/D=4.2、6.6、8、10 θ=30】 78
5-3.2.1 風力係數 78
5-3.2.2顫振導數寬深比變化探討 79
5-4結論 81
第六章 數值分析與實驗比較 83
6-1 數值模型之建立 83
6-1-1 長跨徑橋樑之建立 83
6-1-2 數值模型之振態 84
6-1-3 數值模型之分析條件 84
6-2 相似性轉換 85
6-2-1 相似性轉換實例分析 85
6-3 削角斷面模型【B/D=10 、θ=30】相似性轉換 86
6-3.1 平滑流場 86
6-3.2 紊流場 87
6-3.3 結果比較 88
6-4 削角斷面之受風反應比較---（角度變化） 89
6-4.1 平滑流場 89
6-4.2 紊流場 90
6-4.3 結果比較 91
6-5 削角斷面之受風反應比較---（深度變化） 91
6-5.1 平滑流場 91
6-5.2 紊流場 92
6-5.3 結果比較 94
第七章 結論與建議 95
7-1結論 95
7-2建議 97
參考文獻 98
附表 103
附圖 116
附表目錄
表 3- 1顫振導數代表之物理意義 103

表 4- 1柵板桿件、網格尺寸 103
表 4- 2本次實驗之模擬縮尺參數一覽表 104
表 4- 3各斷面模型與長跨徑橋樑結構性質之比較 105
表 4- 4削角斷面之基本結構特性---改變角度 106
表 4- 5削角斷面之基本結構特性---改變深度 107
表 4- 6矩形斷面之基本結構特性 108

表 6- 1長跨徑橋梁主梁斷面特性 109
表 6- 2長跨徑橋梁主梁斷面性質 109
表 6- 3鋼纜斷面性質 110
表 6- 4長跨徑橋數值模型振態 110
表 6- 5削角斷面【B/D=10、Θ=30】相似率轉換結果 111
表 6- 6削角斷面受風反應比較---數值分析與相似性轉換 112
表 6- 7削角斷面受風反應比較--- SECTION MODEL數值分析與直接量測比較 113
表 6- 8削角斷面受風反應比較---數值分析與相似性轉換 114
表 6- 9削角斷面受風反應比較--- SECTION MODEL數值分析與直接量測比較 115

附圖目錄
圖 2- 1 SCANLAN和TOMKO所作不同橋樑斷面之顫振導數圖（一） 116
圖 2- 2 SCANLAN和TOMKO所作不同橋樑斷面之顫振導數圖（二） 117

圖 3- 1 HOUT、REY、ARBEY等人實驗架設圖 118
圖 3- 2橋面板受力符號示意圖 118
圖 3- 3橋面板第I節點自由度方向與編號示意圖 119

圖 4- 1淡江大學大氣邊界層風洞實驗室配置圖 120
圖 4- 2矩形斷面尺寸圖 121
圖 4- 3削角斷面尺寸圖 122
圖 4- 4削角斷面尺寸圖 122
圖 4- 5長跨徑橋梁之幾何圖形 123
圖 4- 6長跨徑橋梁之橋塔圖形 124
圖 4- 7實驗架構圖 125
圖 4- 8實驗與數值分析流程圖 126

圖 5 - 1矩形斷面B/D=8 拖曳向風力係數比較圖 127
圖 5 - 2矩形斷面B/D=8 垂直向風力係數比較圖 127
圖 5 - 3矩形斷面B/D=8 扭轉向風力係數比較圖 127
圖 5 - 4矩形斷面拖曳向風力係數圖 128
圖 5 - 5矩形斷面垂直向風力係數圖 128
圖 5 - 6矩形斷面扭轉向風力係數圖 128
圖 5 - 7矩形斷面H1*比較圖 129
圖 5 - 8矩形斷面A2*比較圖 130
圖 5 - 9矩形斷面A3*比較圖 131
圖 5 - 10矩形斷面H2*比較圖 132
圖 5 - 11矩形斷面H3*比較圖 133
圖 5 - 12矩形斷面A1*比較圖 134
圖 5 - 13矩形斷面H1*趨勢圖 135
圖 5 - 14矩形斷面A2*趨勢圖 135
圖 5 - 15矩形斷面A3*趨勢圖 136
圖 5 - 16矩形斷面H2*趨勢圖 136
圖 5 - 17矩形斷面H3*趨勢圖 137
圖 5 - 18矩形斷面A1*趨勢圖 137
圖 5 - 19削角比斷面拖曳向趨勢圖 138
圖 5 - 20削角比斷面垂直向趨勢圖 138
圖 5 - 21削角比斷面扭轉向趨勢圖 138
圖 5 - 22削角變化斷面H1*比較圖 139
圖 5 - 23削角變化斷面A2*比較圖 139
圖 5 - 24削角變化斷面A3*比較圖 140
圖 5 - 25削角變化斷面H2*比較圖 140
圖 5 - 26削角變化斷面A3*比較圖 141
圖 5 - 27削角變化斷面H2*比較圖 141
圖 5 - 28削角變化斷面H1*趨勢圖 142
圖 5 - 29削角變化斷面A2*趨勢圖 142
圖 5 - 30削角變化斷面A3*趨勢圖 143
圖 5 - 31削角變化斷面H2*趨勢圖 143
圖 5 - 32削角變化斷面H3*趨勢圖 144
圖 5 - 33削角變化斷面A1*趨勢圖 144
圖 5 - 34削角比深度變化斷面拖曳向趨勢圖 145
圖 5 - 35削角比深度變化斷面垂直向趨勢圖 145
圖 5 - 36削角比深度變化斷面扭轉向趨勢圖 145
圖 5 - 37削角深度變化斷面H1*趨勢圖 146
圖 5 - 38削角深度變化斷面A2*趨勢圖 146
圖 5 - 39削角深度變化斷面A3*趨勢圖 147
圖 5 - 40削角深度變化斷面H2*趨勢圖 147
圖 5 - 41削角深度變化斷面H3*趨勢圖 148
圖 5 - 42削角深度變化斷面A1*趨勢圖 148
圖 5 - 43矩形斷面與削角斷面H1*比較圖 149
圖 5 - 44矩形斷面與削角斷面A2*比較圖 149
圖 5 - 45矩形斷面與削角斷面A3*比較圖 150
圖 5 - 46矩形斷面與削角斷面H2*比較圖 150
圖 5 - 47矩形斷面與削角斷面H3*比較圖 151
圖 5 - 48矩形斷面與削角斷面A1*比較圖 151

圖 6-1- A第一垂直向振態圖 152
圖 6-1- B第一扭轉向振態圖 152

圖 6-2- A削角斷面【B/D=10 、Θ=30】相似性轉換與數值分析比較(垂直向) 153
圖 6-2- B削角斷面【B/D=10 、Θ=30】相似性轉換與數值分析比較(扭轉向) 153

圖6-3- A削角斷面【B/D=10 、Θ=30】相似性轉換與數值分析比較(垂直向) 154
圖6-3- B削角斷面【B/D=10 、Θ=30】相似性轉換與數值分析比較(扭轉向) 154

圖 6 - 1 流場-1削角變化斷面垂直向趨勢圖 155
圖 6 - 2 流場-1削角變化斷面扭轉向趨勢圖 155
圖 6 - 3 流場-2削角變化斷面垂直向趨勢圖 156
圖 6 - 4 流場-2削角變化斷面扭轉向趨勢圖 156
圖 6 - 5 流場-3削角變化斷面垂直向趨勢圖 157
圖 6 - 6 流場-3削角變化斷面扭轉向趨勢圖 157
圖 6 - 7 流場-1削角深度變化斷面垂直向趨勢圖 158
圖 6 - 8 流場-1削角深度變化斷面扭轉向趨勢圖 158
圖 6 - 9 流場-2削角深度變化斷面垂直向趨勢圖 159
圖 6 - 10 流場-2削角深度變化斷面扭轉向趨勢圖 159
圖 6 - 11 流場-3削角深度變化斷面垂直向趨勢圖 160
圖 6 - 12 流場-3削角深度變化斷面扭轉向趨勢圖 160

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