第七章 橋樑斷面模型試驗
7.6 斷面模型風洞試驗結果
風力係數為結構物受風力大小的指標，本實驗所量測之風力係數於 平滑流場中進行，量測十一個風攻角（-50∼50，間隔10），以瞭解風 攻角對平均阻力係數（CD）、平均昇力係數（CL）、平均扭力係數（CM） 之影響。
A 深寬比為8（B/D=8）之平板橋樑斷面
圖23 為拖曳向平均風力係數，無論正負攻角其值皆為正值，且隨 風攻角增加而稍微增大。圖24 垂直向平均風力係數，若垂直向風力 係數為正值，表示模型受到上舉的風力；若為負值表示模型受到下壓 的風力。因此從圖中可看出在正攻角時，模型受到上舉的風力隨攻角
圖 25 扭轉向平均風力係數，其值為正值顯示模型受風下之上舉力 大於下壓力，表示模型受到順時針的風力，反之，則受到逆時針的風 力影響。由於此橋樑斷面為一對稱斷面，因此正負攻角其值有對襯的 趨勢，若利用已知資料做為比較，則可看出本次試驗值與已知資料接 近。
B 高屏溪橋
樑
斷面圖 26 為拖曳向平均風力係數，無論正負攻角其值皆為正值，且隨 風攻角增加而稍微增大。圖27 垂直向平均風力係數，從圖中可看出 約在正四度界，小於正四度之攻角其模型受到下壓力較嚴重且隨攻角 遞減有遞增的現象，表示高屏溪橋模型較易受到下壓力的影響。圖 28 扭轉向平均風力係數隨攻角遞增而有增大的趨勢，因本斷面形狀 並非對稱，造成其最小值並未發生在零度攻角處。
7.6.2 顫振導數
橋樑斷面模型之顫振導數之實驗於平滑流場中進行，並於三個風 攻角（-30∼30，間隔30），用以瞭解各風攻角下對垂直與扭轉向顫振 導數之影響。
A 深寬比為8（B/D=8）之平板橋樑斷面
圖29 為顫振導數 A2*在各攻角的變化，A2*是橋樑斷面的扭轉向氣動 力阻尼參數，對於顫振型態傾向於單自由度顫振的橋樑斷面為一重要 的參數。只要掌握A2*由負轉正時所對應的無因次化風速值，及可約 略表示顫振效應發生之處。由圖中可看出在正三度攻角較零度與負三 度攻角有較早發生由負轉正的現象，其表示正三度攻角其模型有較不
穩定的趨勢，其顫振臨界風速則較低。
圖30 為顫振導數 A3*在各攻角的變化，A3*是橋樑斷面的扭轉向 氣動力勁度參數，當其值隨無因次化風速的增加而往正值遞增，即代 表橋樑斷面扭轉向的有效勁度降低，扭轉頻率隨之下降；增加的幅度 越大，則扭轉與垂直頻率比越小，代表橋樑更易產生氣動力振態耦合 而降低其穩定性。由圖中可知各攻角下之值均無明顯差異，表示對於 攻角的變化對於氣動力穩定性的影響較輕微。
圖31 為顫振導數 H1*在各攻角的變化，H1*是橋樑斷面的垂直向 氣動力阻尼參數，隨風速的增加其值逐漸遞減，表示隨著風速的增加 而垂直氣動力阻尼對其垂直向運動之有效阻尼所提供的正貢獻將越 大，有助於橋樑斷面在垂直向振幅的穩定性。由圖中可知各攻角下之 值均無明顯差異，表示對於攻角的變化對於垂直向振幅的穩定性影響 較輕微。
圖32 顫振導數 A1*在各攻角的變化量，A1*代表橋樑垂直向的振 動對於扭轉向氣動力阻尼的影響。在零度攻角其值隨無因次化風速遞 增而增加，其正負三度則無明顯規律。
圖33 顫振導數H2*在各攻角的變化量，H2*代表橋樑扭轉向的振 動對於垂直向氣動力阻尼的貢獻。由圖中可看出，當攻角為負三度及 正三度攻角時，隨無因次化風速增加而從負值轉至正值，再依次遞 減。而零度攻角則隨無因次化風速增加其負值越大。
圖34 顫振導數 H3*在各攻角的變化量，H3*代表橋樑扭轉向的振 動所引發的垂直向氣動力勁度。由圖中可知隨無因次化風速增加其值 有遞增的現象，而在零度攻角部份在低風速下有跳動的現象。
B 高屏溪橋樑斷面
圖35 為顫振導數A2*在各攻角的變化，A2*是橋樑斷面的扭轉向 氣動力阻尼參數，由圖中可看出在負三度攻角時，其值恆為負值，表 示在負三度攻角下不易產生顫振反應，在零度及正三度攻角下則易產 生顫振不穩定的現象。
圖36 為顫振導數 A3*在各攻角的變化，A3*是橋樑斷面的扭轉向 氣動力勁度參數，由圖中可知，當攻角為負三度時，因其值隨無因次 化風速的增加而往正值遞增且增加的幅度較其他攻角大，即代表橋樑 斷面扭轉向的有效勁度降低，扭轉頻率隨之下降，則扭轉與垂直頻率 比越小，代表負三度攻角較其他攻角更易產生氣動力振態耦合而降低 其穩定性。
圖37 為顫振導數 H1*在各攻角的變化，H1*是橋樑斷面的垂直向 氣動力阻尼參數，在三個攻角方面均隨風速的增加其值逐漸遞減，在 低無因次化風速時，其風攻角的變化對於其氣動力阻尼參數並無明顯 變化；在較高無因次化風速下，正三度攻角遞減明顯，表示隨風速的 增加而垂直氣動力阻尼對其垂直向運動之有效阻尼所提供的正貢獻 將愈大，其垂直向振幅的穩定性較其他攻角佳。
7.6.3 高屏溪橋樑斷面之顫振臨界風速
當風速到達某一臨界狀態時，橋體振動所引發之氣動力阻尼會抵 消結構之阻尼，而使結構產生發散現象，此時所對應風速的即是橋樑 的顫振臨界風速。本試驗使用符合原型橋樑基本動力特性的斷面模
型，直接測試顫振臨界風速。
經平滑流場下之風洞實驗得到扭轉向及垂直向的振動反應，其中 圖38及圖39 中（a）圖為平均值、（b）圖為均方根值、（c）圖為極大 值。由扭轉向振動反應之圖（c）中，數值突然跳升的風速可約略指 出在不同攻角條件下，其顫振臨界風速發生的位置。
從圖38（c）扭轉反應與圖 39（c）垂直反應中發現。亦可從扭轉向 反應圖中發現當正攻角越大，其臨界風速有往前移動的現象，表示當 攻角遞增其氣動力穩定性有降低的趨勢。將試驗發生顫振時之無因次 化風速轉換成實場風速後如表5，由表中亦可看出當正攻角遞增時，
實場臨界風速亦有降低的現象。