超大跨度桥梁风致抖振力的精细化研究

超大跨度桥梁主要指跨度超过2000m的悬索桥和跨度超过1000m的斜拉桥。许多在一般大跨度桥梁抗风设计中可以粗略处理的问题在超大跨度桥梁抗风设计中却可能成为设计控制条件而必须仔细加以研究。日本、丹麦、意大利等国率先开展了抗风研究理论与方法的精细化进程。气动导纳函数是桥梁断面气动参数中最难测定的一个参数，它的准确性直接关系到抖振响应估计的准确性。意大利学者的单一频率测定抖振力的方法与复气动导纳的概念，在抖振力研究的精细化方向上前进了一大步，但有两个不足之处：第一是只能生成与气动方向垂直的竖向脉动分量，因而只能测定与竖向脉动分量相关的3个气动导纳。第二是主动格栅驱动系统只能提供近似的正弦波。本申请项目将在意大利学者研究基础上进一步深入研究，开发出更为完善的一套单一频率测定复气动导纳的方法，实现6个气动导纳的同时测定；深入研究雷诺数影响，不同频率分量之间的耦合效应，抖振力与自激力的耦合与分离等等 2100433B

首先，通过节段模型风洞试验识别典型桥梁断面的气动导纳等参数，并测量脉动风和抖振力沿跨向的空间相关性。其次，基于桥梁断面气动导纳和抖振力空间相关性等参数的风洞试验识别结果，发展能考虑实测抖振力空间相关性的大跨度桥梁耦合抖振响应分析方法，开发出相应的计算机程序。然后，应用桥梁抖振响应分析方法和全桥气弹模型风洞试验对大跨度桥梁的抖振机理进行研究，并验证耦合抖振理论分析方法的可靠性和适用性。通过与传统抖振 2100433B

在桥梁节段模型刚体测压模型风洞试验结果中发现，桥梁主梁节段的气动抖振力与来流脉动的相关性并不是很强，可见现有的线性定常气动抖振力数学模型有较大的局限性。基于运动当量假设，桥梁主梁断面气动自激力的非定常性则从另外角度反映了桥梁抖振力所具有的非定常特性。鉴于现有准定常的线性气动抖振力模型所存在的局限性，本课题提出一种桥梁断面的非定常气动抖振力数学模型，建立大跨度桥梁新的抖振理论体系和分析方法。在将紊流的脉动当量为桥面自身运动的假设前提下，通过桥梁节段模型风洞试验提取非定常抖振力的气动参数。在该桥梁抖振理论分析方法中，综合考虑桥梁主梁断面气动自激力和气动抖振力的非定常特性，抖振分析时不需要考虑气动导纳。基于桥梁主梁断面节段模型风洞试验和CFD数值分析结果，对非定常气动抖振力数学模型和桥梁抖振分析方法的可靠性和适用性进行验证。本课题研究成果对大跨度桥梁抗风设计理论的发展具重要的的理论和实际意义。

本项目围绕重大研究计划的关键科学问题，开展大跨度桥梁结构风致动力灾变效应原型观测与验证的研究。首先，研究大跨度桥梁结构风致动力灾变效应原型观测系统；其次，分析原型观测数据研究桥梁结构风场特性和模型参数及风-雨耦合等效-相流模型；研究大跨度桥梁结构抖振和风雨振等风致动力灾变效应的原型验证方法，分析其一致性和差异性；突破风洞试验技术限制，研究基于整体模态和局部应变原型监测信息的大跨度梁结构气动力和气动参数识别方法，揭示气动力和气动参数的空间相关性、雷诺数效应和湍流尺度效应；发展桥梁结构风雨激振分析方法，揭示雨的作用机理；研究以原型观测的结构振动为边界条件的绕流场CFD数值计算子结构方法，揭示桥梁结构风致灾变及其控制的微观机理，为通过原型观测研究结构风致灾变机理提供有效的方法。本项目研究，将形成大跨度桥梁结构风致动力灾变效应原型观测的理论、方法、技术、系统和原始观测数据，具有重要的科学意义。