大跨度桥梁主梁涡激振动特性研究

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

现代大跨度桥梁跨度更大、结构更轻柔、自振频率较低，在低风速下主梁易发生涡激共振现象。它是一种带有自激性质的风致限幅振动，尽管不象颤振、弛振那样具有发散性质，但由于其起振风速低、发生频度大，且某些特定情况下的振幅之大足以影响行车安全，因而在施工及运营阶段避免涡激共振或限制其振幅在可接受的范围之内具有十分重要的意义。.经验非线性模型已被证明是描述主梁节段（二维）涡激共振现象的有效途径。本课题拟选取有代表性2-3座大跨度桥梁的主梁作为研究对象，通过常规和大尺度节段模型风洞试验，探讨经验非线性模型中未知参数的时域识别方法；通过全桥气动弹性模型试验，研究主梁沿跨向涡激气动力相关性，建立描述涡激气动力跨向相关的数学模型；利用以上研究成果，最终建立大跨度桥梁主梁涡激振动的数学模型和分析方法。

我国大跨度钢桥越来越多，研究与防止涡激振动已成为我国大跨度桥梁抗风设计的关键问题之一。目前大跨度桥梁主梁结构涡激振动主要通过节段模型风洞试验检验，而理论分析方法仅停留在二维模型阶段，三维理论分析近乎空白，从而无法准确预测涡振振幅。本项目从涡振具有三维空间特性的实际出发，重点研究展向间距、振型及紊流度对典型桥梁主梁断面涡激力展向相关性的影响。结合二维涡激力模型建立相应的气动参数识别方法；对闭口钝体、流线型主梁断面分别进行节段模型涡激力气动参数识别和涡激力展向相关性研究；在此基础上设计简支主梁结构气弹模型，研究展向间距、振型对涡激力展向相关性和涡振振幅的影响；在低紊流度条件下，研究展向间距、振型及紊流度对涡激力展向相关性和涡振振幅的影响。将主梁结构二维涡激力模型与涡激力展向相关性函数嵌入到结构有限元模型实现桥梁结构三维涡激振动响应分析，并以一实际桥梁气弹模型试验进行验证。

大跨桥梁结构具有频率低、阻尼低等特点，主梁结构在风作用下易发生涡激振动，如Kessock桥、第二塞文桥、Rio-Niteroi桥、东京湾大桥、大海带东桥、伏尔加河大桥及西堠门大桥等均发生了涡激振动，研究与防止桥梁结构涡激振动已成为大跨度桥梁抗风设计的关键问题之一。本课题重点开展了桥梁结构二维涡激力模型气动参数识别方法、典型桥梁主梁断面涡激力展向相关性试验研究以及大跨度桥梁结构三维涡激振动响应有限元分析方法研究。主要研究成果： （1）建立了主梁二维涡激力模型气动参数识别方法及程序 分别针对Scanlan经验线性模型、经验非线性模型以及Larsen广义范德波振子模型进行涡激力模型气动参数识别研究，编写了涡激力模型气动参数识别程序。以闭口流线型主梁断面节段模型试验数据为基础，进行了不同涡激力模型气动参数识别，根据识别结果对主梁节段模型进行涡激振动响应计算，并与试验结果比较，从而验证了涡激力气动参数识别精度。 （2）研究了展向间距、振型对典型主梁断面涡激力展向相关性的影响 首先进行了矩形断面主梁、闭口流线型断面主梁节段模型涡激力展向相关性风洞试验，研究了展向间距对这两类典型断面涡激力展向相关性的影响，获得了矩形断面主梁、闭口流线型断面主梁涡振锁定区内外涡激力展向相关系数变化规律。然后采用拉条模型试验进行涡激力展向相关性试验研究，研究了展向间距、振型对涡激力展向相关性的影响。 （3）建立了桥梁结构三维涡激振动响应有限元分析方法 基于大型有限元结构分析软件ANSYS，结合桥梁主梁结构二维涡激力模型气动参数识别方法以及典型断面主梁涡激力展向相关性研究成果，暂不考虑展向间距对涡激力展向相关性影响，仅考虑振型的影响，建立了大跨度桥梁结构三维涡振响应有限元分析方法，并以矩形断面拉条模型试验为例进行了验证。 本课题研究成果对于大跨桥梁结构涡激振动响应计算具有重要的参考意义。 2100433B

主要的研究方法有三种：

实验方法

泻涡脱落引发的涡激振动是一个多物理场耦合，相互作用的复杂过程。需要具有一套完整物理实验方案和精密的实验仪器可以把所有的涡激振动相关机型同步观测，以测定其联合效应。物理实验往往很难同时提供流体的瞬时变化数据。

数值方法

振动问题。对于数值模拟方法，按照所使用湍流模型的不同，可以将涡激振动的数值模拟方法分为:直接数值模拟方法，雷诺平均N-S方程法，大涡模拟法，涡元法，还有基于上述各种方法的综合。按照模拟方式的不同又可以分为基于弹性支撑的刚体二维模拟，基于弹性体二维涡元模拟和三维结构插值积分的离散涡元法模拟，以及对于弹性体完全使用三维模型的全流域模拟等等

半经验公式

半经验公式主要有尾流阵子，单自由度模型，流体力组分模型。

流固耦合数值计算软件

Ansys CFX

Fluent Abaqus

Adina

COMSOL Multiphysics(FEMLAB)