大跨空间结构的风致关键效应与动力灾变行为项目摘要

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

本项目主要针对主跨跨度800 米以上的斜拉桥和1500米以上的悬索桥等超大跨度桥梁，着重研究强台风和强季风及其动力作用下的风致灾变关键效应与过程控制，全面采用理论分析、模型试验、现场实测和数值模拟等研究手段，深入揭示风荷载多维和多点非平稳空间动力作用效应、风荷载非线性效应、风－雨－结构动力耦合效应以及结构与空气介质之间的能量转换机理，努力实现基于空间作用效应、非线性效应和动力耦合效应的超大跨度 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。