大跨度桥梁结构风致动力灾变的原型观测与验证

建立了一座悬索桥和一座斜拉桥的风与风效应原型观测系统，取得了4年原型观测数据（包括四年2座桥梁的风况条件，斜拉索多模态涡激振动，悬索桥主梁在平稳风下的涡激振动、台风作用下的抖振和不同湍流度下的风压分布）。 提出了基于压缩感知理论的桥梁风致振动采集方法，发展了基于压缩采样的无线传感器数据丢失恢复方法；研究了不同风速下桥梁结构模态参数的变化规律。 提出了物理试验/原型观测与CFD混合模拟方法，并通过风洞试验和流固耦合CFD数值计算揭示出混合模拟方法比传统的流固耦合CFD数值计算具有更好的精度和更高的计算效率。 采用基于VOF的DNS及LES编制了多相流数值模拟计算程序,实现了斜拉索风雨条件下水线的生成过程的数值模拟、给出了雨线存在时斜拉索上流场分布特点和压力分布特点，揭示了斜拉索风雨振发生的机理；研究了雨对箱梁颤振和涡激振动风致效应的影响规律。 原型观测了斜拉索高阶多模态涡激振动现象及其风况条件；通过CFD数值计算和风洞试验，分析了斜拉索多模态涡激振动的气动力多模态和位移的参与特性及行波效应、以及尾流旋涡托率锁定的变化规律，通过不同高度上的风速和圆柱斯托拉哈数计算得到了不同高度上的旋涡脱落频率，揭示了近地剪切风是其产生多模态涡激振动的机理；研究了斜拉索多模态涡激振动的主动吸气控制方法、控制效果，揭示了吸气控制方法干扰了斜拉索尾流旋涡的有规律脱落、改变了分离点的控制机理；进行了TMD控制斜拉索多模态涡激振动的风洞试验，结果表明，只有多个TMD才能有效控制斜拉索多模态涡激振动。 基于原型监测结果，得到了分离式双箱梁（STBG）涡激振动特性及风况条件、表面压力分布规律和St；通过原型观测、风洞试验和CFD数值计算，分析了分离式双箱梁涡激振动全过程的流场结构变化规律，结果表明STBG空隙间距对上下游箱梁周围流场具有显著影响，且是产生涡激振动的重要因素，提出了STBG流态控制参数（空隙宽度L/箱梁高度D）、得到其临界值，提出了STBG涡激振动流态控制方法；通过不同比例模型风洞试验，研究了STBG的Re数效应，得到了流场结构、阻力系数、St和振动幅值随Re数的变化规律，揭示了在不同Re下，流场的分离点与再附点的变化规律。 基于原型观测研究了大跨度悬索桥抖振响应特性，指出了原型观测抖振与现有理论计算结果差别的原因。 2100433B

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。

大跨空间结构承受的风荷载时空特性复杂，其响应具有多振型参与、多模态耦合和多场耦合的特点，一直是国际风工程界关注的热点问题。以往研究多以满足结构抗风设计为目标，较少关注结构的风致动力灾变过程，而对其动力灾变行为的研究是实现基于性态的结构全寿命设计的基础。为此，本研究将采用现场实测、风洞试验、CFD数值模拟和理论分析等方法对大跨空间结构的风致响应开展全方位研究，力求在以下几方面实现突破：1）构建城市近地风统计模型和以特征湍流为本质特征的结构表面风荷载统计模型；2）依据结构的风致灾变特点，分别对刚性结构的疲劳累积损伤效应，柔性结构的流固耦合效应和围护结构的连续破坏效应等问题进行系统研究；3）以前面两部分工作为基础，研究大跨空间结构的动力灾变全过程行为，揭示结构的风致动力破坏机理；并将成果集成于数值平台。本项目研究是对现有研究成果的一次高度集成，也是对已有抗风理论的一次超越。

大跨空间结构的抗风问题具有风荷载时空特性复杂、响应参与振型众多，以及多模态耦合和多场耦合等特点，是国际风工程界关注的热点和难点。本研究采用现场实测、风洞试验、CFD数值模拟和理论分析等方法对大跨空间结构的风致响应的多个方面开展研究，并在以下几方面取得了创新性成果：1）构建城市近地风统计模型和以特征湍流为本质特征的结构表面风荷载统计模型；2）依据结构的风致灾变特点，建立了围护结构风压极值的计算理论，进一步完善了风振响应的计算理论，提出了指导工程设计的等效风荷载取值；3）以前面两部分工作为基础，研究大跨空间结构的动力灾变全过程行为，揭示结构风致动力破坏机理；并初步形成数值集成平台。 2100433B