大跨度桥梁非定常风致振动的非线性失稳机理及理论

颤振和驰振是大跨度桥梁抗风设计中需要面对的两种最危险自激失稳现象，但颤振理论至今未能突破基于微幅振动假设的线性理论范畴，不能满足具有现代柔性超大跨度桥梁抗风设计需求，而驰振理论至今也未能摆脱准定常假设，导致对其临界风速和响应幅值的预测严重偏离实际，埋下安全隐患。本项目针对上述问题开展系统研究，取得了如下原创性成果： 研发了小型高精度动态三分量测力天平以及准静态标定方法和系统，提出了能显著降低惯性力成分、提高了自激力测量精度的内置天平同步测力测振方法。建立了节段模型系统非线性瞬幅阻尼比和瞬幅频率（刚度）的时域识别方法，及非线性非风致附加气动阻尼和质量参数识别方法，进一步提高了自激力测量精度。 率先提出了多种宽高比矩形及凹角和切角矩形断面的横风向自激力非定常非线性精细化数学模型，建立了基于能量等效原理的模型参数识别三步最小二乘法，彻底摆脱了准定常假设的束缚。通过对自激力不同成分做功演化规律及其对驰振稳态幅值的影响，揭示了驰振“发生、发展和自限幅”的机理，提出了可精确预测细长钝体结构驰振稳态幅值的非定常自激力统一简化非线性数学模型。研究了凹角和切角措施的减振效果和机理。建立了考虑风速剖面的钝体结构非定常驰振三维非线性分析方法，得到了气弹模型试验验证。从功等效瞬幅阻尼系数随振幅演化规律出发阐明了驰振分岔和在较高风速区消失现象的机理。 通过自激力做功演化规律和稳态响应参数分析，揭示了双边肋梁和半封闭箱梁单自由度非线性扭转颤振的“发生、发展和自限幅”的机理，提出了自激扭矩精细化和简化非线性数学模型，建立了单自由度非线性扭转颤振全桥三维分析理论，得到了全桥气动弹性模型试验验证。 提出了全封闭箱梁弯扭耦合颤振自激升力和扭矩的非线性数学模型，建立了模型参数识别方法，并分析其耦合颤振“发生、发展和自限幅”的机理。建立了弯扭耦合非线性颤振分析的二维两自由度复模态时频混合理论和全桥多自由三维频混合分析理论。 项目研究解决了钝体驰振自激力数学模型的统一、驰振响应精确预测及颤振后非线性位移响应精确预测国际难题，具有前瞻性和创新性，为今后超大跨度桥梁非线性抗风稳定性设计理论奠定了扎实基础。 2100433B

风振失稳包括颤振和驰振等，是对大跨度桥梁危害最大且必须避免的风致振动现象，由于实际桥梁经常具有非流线形断面，其风振失稳都同时具有非定常和非线性特性，没有明显的突然发散临界点，因此，如何合理确其临界风速一直是桥梁风工程领域一个悬而未决的前沿课题。本项目以一系列典型矩形和修角矩形断面以及四种典型中等宽高比非流线形桥梁断面为对象，拟采用内置天平同步测力测振弹簧悬挂节段模型风洞试验、全结构气动弹性模型风洞试验和理论分析研究相结合的方法，探索软颤振和软驰振的非定常自激力非线性机理和全过程能量演化规律；提出适应性好、可靠性高的实用非定常自激力非线性数学模型；并以此为基础，建立大跨度桥非定常风振非线性失稳问题的实用分析理论，以及一种更加合理、切实可行的、基于结构性能的非流线形大跨度桥梁软颤振和软驰振这类非定常风致振动非线性失稳问题的评价体系或临界风速判断准则，具有重要的理论和实际意义。

本项目针对大跨度桥梁非定常气动力的基本特性展开研究。主要研究内容涉及到桥梁的颤振稳定性、非线性后颤振时程理论、气动导纳的本质特性、悬索桥长吊杆的非线性风致共振等多项内容。主要研究成果包含以下几方面：（1）钝体桥梁的非定常气动力不具备有可叠加性，体现在气动自激力与抖振力不可叠加，以及各频率湍流成份对抖振力的贡献不可叠加。因此，传统意义下的气动导纳函数，即不依赖于风场特性的导纳函数对于钝体桥梁而言不存在。我们在桥梁风工程中应用气动导纳函数时，必须注意试验中紊流场与实际情况的相似性；（2）提出了多阶段阶跃函数的桥梁后颤振分析理论，结束了采用单一颤振临界风速评价桥梁气动稳定性能的现状。后颤振理论方法的提出，使得我们有能力对结构颤振后极限环振幅随风速的演变进行计算，这一理论的提出，使得今后有途径对桥梁抗风稳定的强健性进行评估与改善；（3）首次提出，并在试验室里再现了桥梁主结构随机抖振引起长吊杆内共振这一概念。这一概念的提出，成功地解释了困惑国际风工程领域长达十多年的长吊杆风振现象。这类长吊杆的大幅风振，多次在大带东桥与我国西堠门大桥上出现。对这一现象本质的认识，有助于有效减振措施的提出；（4）从理论解决了桥梁涡激共振节段模型与原型桥梁的振幅转换关系，弥补了国内、国际上各规范的不足； 2100433B

桥梁在空间脉动风场中的力学行为问题涉及到结构振动的自激力描述、脉动风引起的气动力描述两大方面。通过与航空学中薄机翼理论的对比可知，多年来桥梁颤抖振理论及气动导纳理论均沿用了机翼理论中的非定常气动力可叠加性。然而，非定常气动力可叠加性是否适合于钝体桥梁断面决定了颤抖振模型以及该模型中内嵌的气动导纳理论的合理性。本申请项目通过研究薄机翼非定常气动力的形成机理以及假设前提，再结合机翼非定常气动力理论中一些基本假定在桥梁风工程中的应用现状，讨论桥梁颤抖振理论以及气动导纳理论中多年来存在的问题、指出可能的解决途径，在研究思路上富有突破性地脱离长期以来的理论误区。在新研究思路的指导下，针对钝体桥梁断面展开一系列的试验研究并根据断面非定常气动力可叠加的程度进行合理分类。区别对待近似满足与不满足非定常气动力叠加原理的两种类型，在此基础上探讨相应的试验识别方法、气动导纳识别方法以及桥梁随机风振的颤抖振模型。

桥梁风致振动的经典理论体系是在40年代－70年代发展起来的。主要适用于悬索桥结构。80年代以来作了一些改进，使之基本适用于斜拉桥的抗风研究。但是经典抗风理论已越来越不能适应现代桥梁结构的发展，并且也出现了一些新的抗风课题。因此，有必要开展能适用于现代桥梁结构的风致振动与控制的现代理论体系研究。现代理论的核心是要摆脱只计主梁气动力作用等经典理论基本假定的限制，研究其它重要构件的气动力荷载的特性、表达方式与测定方法，进而建立计及全部主要构件（梁、索、塔）气动力荷载的改进的桥梁颤振与抖振理论。现代理论研究也包括紊流效应以及现代控制理论的深入研究。如同经典抗风理论促进了轻柔大跨悬索桥的发展一样，现代抗风理论将会对超大跨度桥梁以及复合材料轻型桥梁的发展起到巨大促进作用。