采用气动阻尼改造延长悬臂式交通信号结构的使用寿命

《Engineering Structures》：Service-life extension of cantilevered traffic signal structures with aerodynamic damping retrofit

　　

摘要
悬臂式交通信号结构固有阻尼低且固有频率低，使其容易受到涡激脱落和驰振等风致振动的影响。这些振荡可能导致疲劳开裂，特别是在立柱与横臂连接处。虽然已经研究了各种被动阻尼装置和结构改造，但关于交通信号系统在自然风下的气动行为以及气动缓解策略在实际服务中的表现，现有信息有限。本研究对一种旨在增加垂直信号灯头交通信号结构气动阻尼的气动改造进行了足尺现场评估。该改造由作为气动阻尼器的平板组成，集成到信号头中以改变流动分离并增强阻尼，而无需增加质量或调谐。在先前的风洞和数值调查之后，该系统安装在爱荷华州艾姆斯市的一个运行结构上，并在自然风条件下监测了十个月。现场测量表明，改造使平面内振动幅度减少了多达 35%，平面外幅度减少了多达 50%。疲劳分析进一步表明，与未改造的系统相比，估计使用寿命增加了 2.5 倍。这些结果证明，小的气动改造可以为缓解悬臂式交通信号结构中的风致疲劳提供一种有效且持久的解决方案。

引言
交通信号结构在美国广泛部署，通过在确保车辆和行人交通安全高效调节方面发挥关键作用，成为城市交通基础设施的重要组成部分 [1], [2]。这些结构通常由支撑悬臂式横臂的垂直立柱组成，横臂延伸至道路上方以支撑交通信号组件。信号集群可以配置为各种方向，包括水平和垂直排列。然而，由于支撑结构的阻尼低（低于 1%）且第一固有频率通常低于 1 Hz，它们极易受到风致振动的影响 [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]。这些振动包括驰振、自然风阵风引起的抖振、卡车引起的阵风以及在某些情况下的涡激振动 (VIV)，所有这些都可能导致结构疲劳、适用性担忧，以及在极端情况下的灾难性失效 [10], [11], [12]。随着时间的推移，这些振动会引发疲劳裂纹，降低疲劳抗性，并显著增加维护成本 [13], [14]。因此，了解交通信号结构的气动和结构响应，以增强气动性能并在不同风条件下减少疲劳，对于提高其耐久性、可靠性和长期性能至关重要。

为解决这些问题，开发了各种缓解策略以减少交通信号结构中的风致振动。一种主要策略是通过修改信号灯或横臂的形状和配置来减少气动激励力，从而增强其气动性能。Pulipaka 等人 [11] 进行了一项全面的实验调查，结合了拖曳水池、风洞和足尺现场测试，以检查悬臂式交通信号结构中的大振幅振动。他们的结果表明，某些气动配置会促进负气动阻尼，使结构容易受到驰振的影响。在另一项研究中，Wieghaus 等人 [12] 对交通信号结构的平面内和平面外结构响应进行了足尺测量，并探索了安装在横臂上的螺旋形鳍片的有效性。他们的发现表明，增加鳍片显著减少了由涡激脱落引起的横风向振动。Letchford 和 Cruzado [15] 进行了一系列足尺受控测试和补充的风洞实验，以调查交通信号结构中的风致振动。他们的工作表明，驰振和涡激脱落都可能导致大振幅振荡，具体取决于结构配置和风攻角。

另一种减轻交通信号结构风致振动的有效方法涉及改变系统动态响应的结构修改。这些策略主要集中在通过粘滞阻尼器、碰撞阻尼器和调谐质量阻尼器等附加装置增加阻尼，所有这些装置都广泛用于各种结构的振动控制，特别是遭受风和地震激励的建筑 [16], [17], [18]。例如，Christenson 等人 [19] 开发了信号头振动吸收器 (SHVA) 并进行了现场测试。Luca 等人 [20] 对公路灯杆进行了数值和足尺实验结合分析，并提出了一种碰撞阻尼器作为缓解技术。他们的结果表明，增加的阻尼显著减少了结构振动。Li 等人 [21] 引入了一种碰撞调谐质量阻尼器来控制交通信号杆中的振动。他们的实验证实了该装置在自由和强制振动条件下减轻平面内和平面外振动的有效性。

过去曾进行风洞测试以调查悬臂式交通信号结构的风致行为，提供了关于作用于这些系统的气动力（包括涡激脱落和驰振）的宝贵见解 [4], [11], [13], [22], [23], [24], [25]。然而，这些努力主要集中在理解受控条件下的振动特性，而没有纳入任何阻尼或缓解策略，特别是对于垂直信号头配置。因此，它们未能捕捉这些结构在真实世界环境中的行为，那里的风条件高度多变且复杂。

虽然以前曾探索过平板以增强气动阻尼 [11], [23], [26]，但发现未在足尺规模得到证实。为解决垂直信号头配置气动缓解实际有效性的现场证据有限的问题，本研究对一种旨在增加气动阻尼并减少悬臂式交通信号结构风致响应的气动改造进行了足尺现场评估。在先前的风洞和数值调查 [4] 基础上，改造——本文中称为改进型信号——由集成在垂直信号灯头上方和下方的平板组成，以被动改变流动分离并增加气动阻尼，与原始结构（原始型信号）相比。改造安装在爱荷华州艾姆斯市的足尺交通信号结构上，并在自然风条件下监测了十个月。通过将气动现场验证与量化的疲劳寿命改进相结合，本研究有助于弥合实验室概念与多风地区交通信号结构实用、可扩展改造之间的差距。

这项工作的新颖性在于验证的规模和范围：（i）在自然风下对具有垂直信号头的足尺交通信号支撑结构进行长期监测，并量化了平面内和平面外振动响应的减少，（ii）气动阻尼的测量增加，以及（iii）基于测量应变时间历史的应力响应所证明的疲劳寿命延长。

本文结构如下：第 2 节介绍了现场部署的悬臂式交通信号结构、仪器计划，包括传感器布局和数据采集系统。第 3 节描述了改进型信号改造。第 4 节介绍了监测期间特定地点的风特性，总结了用于建立结构动态特性的自由振动测试，并报告了量化改造通过增加气动阻尼减少平面内和平面外振动的长期监测结果。第 5 节提供了基于监测应力历史和改进型信号和原始型信号配置所得估计疲劳寿命的生命周期疲劳评估。最后，第 6 节得出结论。

章节片段
现场部署与仪器计划
为了调查交通信号结构在真实环境荷载条件下的风致行为，一个足尺现场监测系统部署在爱荷华州艾姆斯市爱荷华州立大学拥有的设施之一。安装了一个悬臂式交通信号结构用于长期监测，使得能够在自然风环境中收集数据。图 1 说明了交通信号结构的位置以及横臂相对于盛行

用于振动缓解的改进型信号
在本研究中，改进型信号灯单元中平板引入的气动阻尼使用等效气动阻尼系数 $C_{aero}$ 进行量化，遵循 Scanlan [11], [26], [27], [28] 提出的线性化自激力公式。该公式表示由流体流动与结构运动相互作用产生的自激气动力 [28]。在此框架中，运动相关的气动力被表达

交通信号结构的长期监测
为了评估所提出缓解解决方案的气动行为和有效性，在一个足尺交通信号结构上进行了分两个阶段的长期现场监测活动。在第一阶段，监测结构在原始信号头配置下运行。这个基准监测期跨越大约五个月，从 2024 年 11 月到 2025 年 3 月，并捕捉了结构在没有任何

风致应力响应
虽然横臂的恒载确立了立柱 - 臂连接处的平均应力，但疲劳需求主要由应力幅和循环次数控制。相关效应是横臂的质量/惯性和风致强迫力放大了立柱 - 臂焊接细节处的交变应力幅；局部几何不连续性进一步增加了这个幅度。因此，本研究中的评估侧重于应力幅谱和循环次数，而不是平均应力。疲劳

结论
本研究重点关注评估改进型信号的实际性能，这是一种基于平板的气动改造，旨在减少悬臂式交通信号结构中的风致振动。改进型信号涉及在垂直安装的信号灯上方和下方集成平板，以增强气动阻尼并减轻动态不稳定性，特别是这些柔性、低阻尼结构中常见的驰振。本研究的

CRediT 作者贡献声明
纳扬·迪普·蒂瓦里：撰写 - 原稿，可视化，验证，方法论，形式分析，数据整理。帕尔塔·萨尔卡尔：撰写 - 审查与编辑，监督，方法论，概念化。爱丽丝·阿里普尔：撰写 - 审查与编辑，撰写 - 原稿，监督，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，概念化。

利益冲突声明
作者声明以下财务利益/个人关系，可能被视为潜在的利益冲突：爱丽丝·阿里普尔报告获得了国家合作公路研究计划的财务支持。如果有其他作者，他们声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，可能会出现在影响本文报道工作的地方。

致谢
作者衷心感谢国家合作公路研究计划 (NCHRP) 值得探索性分析的创新：IDEA- 241 支持这项研究。

纳扬·迪普·蒂瓦里 | 爱丽丝·阿里普尔 | 帕尔塔·萨尔卡尔
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