大跨度桥梁非线性涡激力模型和三维涡振分析方法研究

涡激共振是大跨度桥梁主要风灾形式之一，由于其发生风速较低，在实际桥梁中频繁发生，容易造成钢桥梁的疲劳问题。但至今对涡振非线性特性机理和跨向相关性的认识还较肤浅，涡激力模型识别的理论和风洞试验技术还不成熟，对涡激共振评估的规范不完善，缺少合理可行的涡激力非线性数学模型和理论分析方法，因此，预测手段停留处在二维节段模型直接试验法上，也无法全面准确地考虑涡激共振的全桥三维非线性效应。 通过本项目研究，开发了用于高精度涡激力测试的内置式天平大比例节段模型同步测力测振风洞试验方法和技术；建立了基于节段模型涡激力时域信号的桥梁断面涡激力参数时域最小二乘识别方法；发现了扁平箱梁涡激力非线性主要来自振动响应的二次和三次项、中央开槽箱梁涡激力非线性则主要来自振动响应的四次和三次项的涡激力非线性行为的机理；在此基础上，获得了合理可靠的扁平箱梁断面涡激力新非线性数学模型，并对其可靠性进行了不同结构阻尼比大比例节段模型涡激共振响应试验的交叉验证；通过大比例节段模型同步测压测振风洞试验建立了典型箱梁涡激力跨向相关性数学模型，发现了在涡激共振锁定区，占主要成份的自激力显著增加了总涡激力的跨向相关性，其根方相干函数一般都超过了0.9；最后，建立了考虑非线性涡激力和涡激力沿跨向不完全相关性的大跨度桥梁三维非线性涡振响应时域分析方法，发现了由旋涡脱落直接产生的强迫涡激力的跨向不完安全相关性对大振幅涡激共振响应的影响可以忽略。 本项目研究成果不仅促进了桥梁涡激共振理论和试验技术的发展，填补了相关空白，而且为涡激共振的精细化研究开辟和一条新途径，更为开展更加合理的基于舒适度、疲劳和强度等桥梁使用和结构性能的大跨度桥梁涡激共振灾害评估、完善相关桥梁涡振规范创造了条件，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。 2100433B

以易发涡振的典型封闭和分离箱形断面为对象，通过一系列同步测力测振和同步测压测振节段模型试验研究桥梁涡激力的非线性特性和跨向相关性，建立相应的非线性涡激力模型参数识别方法和经验涡激力跨向相关性模型。在此基础上，通过比较二维节段模型涡振响应的分析和实测结果，深入研究各种涡激力模型的适用性，提出新的实用模型。建立基于非线性涡激力模型和经验跨向相关性模型的大跨度桥梁三维涡激共振响应分析方法，并应用于实际工程。涡振是大跨度桥梁风致振动的主要形式之一，由于其发生风速较低、概率高，容易造成桥梁结构的疲劳破坏。但至今对涡振非线性特性机理和跨向相关性的认识还较肤浅，涡激力模型识别方法不完善，预测手段停留处在二维节段模型直接试验法上，缺少合理可行的理论分析方法，尤其是在全桥三维非线性涡振分析方面仍几乎是空白。因此本项目对桥梁抗风理论的发展、合理预测和评估大跨度桥梁涡激共振性能具有重要的理论意义和实用价值。

涡激振动是大跨度桥梁结构在较低风速下容易发生的一种有害的风致振动现象。与桥梁颤振的研究进程相比，桥梁结构涡激振动机理和理论研究一直处于滞后状态，迄今为止尚未形成系统的被普遍接受的桥梁结构涡激振动机理和理论描述，这在一定程度上制约了桥梁结构抗风设计理论的发展，我国规范中关于涡激振动方面的条文已远远不能满足现有大跨度桥梁建设的需要。本项目拟从涡激力的本质特性入手，采用强迫振动装置、三节段测力测压复合节段模型等先进的风洞试验手段对涡激力进行精细化测量，研究涡激力和振动位移之间的相位关系，并结合CFD数值模拟对涡激力的本质特性进行深入分析，系统研究涡激力自激－限幅特性形成的机理，考察并改进现有的非线性半经验涡激力模型。基于实测自激力的展向相关性函数和有限元模型提出桥梁结构涡激振动响应的三维分析方法。在试验测量和理论分析的基础上，提出适用于目前大跨度桥梁设计的涡振幅值计算方法。

本项目主要针对桥梁结构有关的风致涡激共振响应及涡激力特性进行了研究，属于土木工程领域的应用基础研究。研究过程综合应用了节段模型自由振动试验、强迫振动试验、气动弹性模型风洞试验等试验技术和CFD数值模拟手段，取得了如下主要成果： （1）通过节段模型自由振动风洞试验研究了矩形断面、H型断面、边主梁断面等多种桥梁构件截面的涡激振动性能，研究了气动外形、雷诺数、Scruton数、频率比等参数对涡激振动特性的影响，并选取矩形断面进行了节段模型强迫振动和气动弹性模型试验研究，比较了不同试验方式对应的涡激振动响应特性的差异。 （2）选择了矩形和边主梁截面的四种典型断面进行了CFD分析，从微观上研究了气流经过断面之后的旋涡脱落特性，并通过模型在静止状态、自由振动状态和强迫振动状态的试验结果对比研究了涡激振动产生的涡脱力、包含自激力的涡激力、运动位移的频率特性以及力和位移之间的相位关系。 （3）研究了尾流振子模型和经验模型两类涡激力模型，通过实例1/6矩形断面的试验数据考察了常用的Scanlan非线性经验涡激力模型，发现识别参数对模型系统的依赖性很强，很难把识别结果推广应用； （4）通过拉条模型研究了涡激振动的相关性，发现涡激共振发生后涡激力沿跨向的相关性显著增强，并提出了多点支撑弹性连续梁模型进行涡激振动特性的研究； （5）基于Tamura涡激力模型提出了桥梁矩形构件的三维涡振响应分析方法并与试验结果进行了对比，验证了其可行性； （6）通过实例对比研究了5种主要的涡激力模型对应的涡激共振幅值估算方法，发现对于简单的桥梁构件Ruscheweyh估算方法的精度最高，但是用于估算桥梁结构的涡振响应偏差很大； （7）基于26组试验数据拟合得到了宽高比0.5 2100433B

对于实际大跨度桥梁主梁而言，涡激振动属于沿跨向的三维问题，除振型的影响外，涡激气动力沿跨向是非完全相关的(或称其为偏相关)。现行的、基于模型风洞试验或现场实测建立的涡激力半经验模型大多基于二维理论，极少考虑涡激气动力的偏相关，从而导致节段模型试验结果直接拓展到全桥时存在较大误差，进而造成对桥梁结构抗风性能的误判。课题分别基于Scanlan涡激力经验线性及非线性经验模型，在引入可能影响涡激力相关性参数的基础上，在频域内研究了涡激力沿跨向的相关性。通过Fourier变换及Duhamel积分等数学原理得到二维力谱到三维广义力谱的转换关系，定义了二维与原型桥梁涡振响应之间的折减系数，给出了将节段模型涡振试验结果应用到原型桥梁的具体理论方法，并给出了涡激力经验模型中待识别参数的修正方法。通过节段模型表面测压试验研究了涡激力沿跨向的相关性，并拟合得到相关函数。最后，通过节段模型风洞试验、全桥气弹模型风洞试验以及现场实测资料很好地验证了本文的理论。 2100433B