桥梁断面抖振力理论模型及关键影响参数研究

桥梁断面抖振力理论模型的关键参数是气动导纳和抖振力跨向相关特性，以前在模拟桥梁断面的抖振力时,由于不清楚桥梁断面的气动导纳和跨向相关特性，往往不考虑桥梁断面的气动导纳或者简单的视为Sears函数，将脉动风的跨向相关性看作桥梁抖振力的跨向相关性，导致大跨桥梁抖振分析的结果与实际情况严重偏离，制约了大跨特别是超大跨桥梁抖振分析的精确性，是目前桥梁抗风分析中亟待突破的关键问题。 本课题首先从理论上研究钝体断面气固耦合的相互作用机理，建立钝体断面气动导纳和跨向相关函数的数学模型；研究精确的不同桥梁断面气动导纳和抖振力跨向相关函数的参数识别方法；研制能够产生大紊流积分尺度的紊流主动模拟装置；在此基础上，研究风速参数特别是紊流积分尺度对不同桥梁断面气动导纳和抖振力跨向相关特性的影响规律，建立考虑紊流积分尺度和桥梁断面特征尺寸的桥梁断面气动导纳和抖振力跨向相关函数的理论公式；修正传统上桥梁抖振分析以Sears函数作为气动导纳和以风速相关代替抖振力相关的明显缺陷，完善大跨桥梁抖振分析理论。 2100433B

桥梁断面抖振力理论模型的关键参数是气动导纳和抖振力跨向相关特性，但目前桥梁抖振分析中所用的气动导纳和抖振力跨向相关性存在明显缺陷，导致大跨桥梁抖振分析的结果与实际情况严重偏离，已经成为大跨桥梁风振分析研究方向上的一个瓶颈，亟待突破。.本课题首先从理论上研究钝体断面气固耦合的相互作用机理，建立钝体断面气动导纳和跨向相关函数的数学模型；研究精确的桥梁断面气动导纳和抖振力跨向相关函数的参数识别方法；研制能够产生大紊流积分尺度的紊流主动模拟装置；在此基础上，研究风速参数特别是紊流积分尺度对不同桥梁断面气动导纳和抖振力跨向相关特性的影响规律，建立考虑紊流积分尺度和桥梁断面特征尺寸的桥梁断面气动导纳和抖振力跨向相关函数的理论公式；修正传统上桥梁抖振分析以Sears函数作为气动导纳和以风速相关代替抖振力相关的明显缺陷，完善大跨桥梁抖振分析理论。

首先，通过节段模型风洞试验识别典型桥梁断面的气动导纳等参数，并测量脉动风和抖振力沿跨向的空间相关性。其次，基于桥梁断面气动导纳和抖振力空间相关性等参数的风洞试验识别结果，发展能考虑实测抖振力空间相关性的大跨度桥梁耦合抖振响应分析方法，开发出相应的计算机程序。然后，应用桥梁抖振响应分析方法和全桥气弹模型风洞试验对大跨度桥梁的抖振机理进行研究，并验证耦合抖振理论分析方法的可靠性和适用性。通过与传统抖振 2100433B

尽管风洞试验发现了桥梁主梁断面的气动抖振力具有较强的非定常性，但是直至目前为止尚无学者开展桥梁断面非定常抖振力方面的研究。鉴于现有准定常的线性气动抖振力模型所存在的局限性，本课题从全新的角度首次尝试地开展了桥梁断面非定常抖振力方面的研究。基于紊流脉动与桥面自身运动的当量假设，参照桥梁主梁断面非定常的气动自激力形式，提出了一种用阶跃函数表示的桥梁主梁断面非定常气动抖振力数学模型。结合主梁节段模型测力试验和测振试验结果，提出了大跨度桥梁断面非定常抖振力气动参数的风洞试验测试技术和识别方法。以理想薄平板断面作为数值算例，根据理想薄平板断面的颤振导数拟合了理想薄平板断面非定常抖振力的气动参数，对本文识别方法进行了验证。在将紊流的脉动当量为桥面自身运动的假设前提下，发展了能考虑非定常气动抖振力特性的大跨度桥梁随机耦合抖振响应分析方法，并编制相应的计算机分析软件。以南京长江三桥为例，用改进的谐波合成方法模拟了大跨度桥梁结构的随机风场，用大跨度桥梁结构非定常抖振响应分析方法对桥梁最大单悬臂状态抖振问题进行了研究。将桥梁结构抖振分析结果与全桥气弹模型风洞试验结果进行了对比，验证了该桥梁抖振分析方法的可靠性和适用性。分析结果表明，按非定常气动抖振力特性的桥梁结构抖振响应分析得出了更加合理的计算结果。在桥梁结构非定常抖振理论分析方法中，由于综合考虑了桥梁主梁断面气动抖振力的非定常特性，因此桥梁抖振分析时不再需要考虑气动导纳。本课题研究成果对大跨度桥梁抗风设计理论的发展具重要的的理论和实际意义。 2100433B

在桥梁节段模型刚体测压模型风洞试验结果中发现，桥梁主梁节段的气动抖振力与来流脉动的相关性并不是很强，可见现有的线性定常气动抖振力数学模型有较大的局限性。基于运动当量假设，桥梁主梁断面气动自激力的非定常性则从另外角度反映了桥梁抖振力所具有的非定常特性。鉴于现有准定常的线性气动抖振力模型所存在的局限性，本课题提出一种桥梁断面的非定常气动抖振力数学模型，建立大跨度桥梁新的抖振理论体系和分析方法。在将紊流的脉动当量为桥面自身运动的假设前提下，通过桥梁节段模型风洞试验提取非定常抖振力的气动参数。在该桥梁抖振理论分析方法中，综合考虑桥梁主梁断面气动自激力和气动抖振力的非定常特性，抖振分析时不需要考虑气动导纳。基于桥梁主梁断面节段模型风洞试验和CFD数值分析结果，对非定常气动抖振力数学模型和桥梁抖振分析方法的可靠性和适用性进行验证。本课题研究成果对大跨度桥梁抗风设计理论的发展具重要的的理论和实际意义。