箱梁非定常涡激力跨向相关性及其应用研究

涡激振动致振风速较低，是钝体结构上常见的一种限幅振动，容易引发桥梁结构疲劳破坏、行车舒适性等问题。大跨度桥梁的主梁涡激振动问题是沿跨向的三维问题， 在利用节段模型试验结果估计实际桥梁的涡振响应时需计入振型和涡激力跨向相关性的影响，其中涡激力跨向相关性是本项目研究开展的重点。 本项目选取了1:5矩形断面、大贝尔特东桥的引桥断面（梯形）以及流线型箱梁断面三种不同类型的典型钝体断面开展相关研究。采用自由振动与强迫振动相结合的方式，在涡振锁定区附近开展了大量的表面测压和测振试验，研究了几种钝体表面脉动压力分布特性、涡激力跨向相关性影响机理以及断面不同位置气动力对整体涡激力相关性的贡献。在已有研究成果的基础上对三维涡振分析方法进行了优化，编制了大跨度桥梁三维涡振分析程序。然后对利用常规节段模型试验结果预估实桥各阶模态下涡振响应的三维涡激振动方法进行了简化，便于工程应用。最后，利用矩形和梯形两种断面的节段模型和拉条模型风洞试验对本项目方法进行验证。 本项目的研究成果使大跨度桥梁的涡振响应计算更加合理准确，使大跨度桥梁抗风设计进一步得到完善，具有十分重要的科学意义和工程价值。 2100433B

大跨度桥梁的主梁涡激振动问题是沿跨向的三维问题。由于对涡激力的跨向相关性的认识和考虑不充分，在利用节段模型（二维）试验结果估计实际桥梁结构(三维)的涡振性能时，往往会造成对大桥涡振性能的误判。. 本项目将在已取得的涡激力跨向相关性研究成果及大跨度桥梁三维涡振分析方法的基础上，采用自由振动与强迫振动相结合的方式，在涡振锁定区开展一系列箱梁节段模型表面测压及尾流测速试验，揭示涡激力跨向相关性影响机制，探明模型展高比变化对涡激力本身及其跨向相关性的影响规律；研究断面不同位置气动力及尾流涡脱对断面整体涡激力相关性的贡献；然后，以拉条模型试验结果为参考依据，多方法对比，寻找一种可通过常规试验手段获得涡激力跨向相关性的试验方法；最后，建立一种利用常规节段模型试验便可准确估计实桥各阶模态下涡振响应的三维涡激振动实用分析方法，并通过拉条模型风洞试验进行验证。

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。

对于海洋工程上普遍采用的圆柱形断面结构物，这种交替发放的泻涡又会在柱体上生成顺流向及横流向周期性变化的脉动压力。如果此时柱体是弹性支撑的，或者柔性管体允许发生弹性变形，那么脉动流体力将引发柱体(管体)的周期性振动，这种规律性的柱状体振动反过来又会改变其尾流的泻涡发放形态。这种流体一结构物相互作用的问题被称作“涡激振动”（Vortex-Induced Vibration ：VIV）。

在处理涡激振动问题时，把流体和固体弹性系统作为一个统一的动力系统加以考虑，并找到两者的耦合条件，是解决这个问题的重要关键。在涡激振动过程中，流体的动压力是一种作用于弹性系统的外加载荷，动压力的大小取决于弹性系统振动的位移、速度和加速度;另一方面，流体动压力的作用又会改变弹性系统振动的位移、速度和加速度。这种互相作用的物理性质表现为流体对于弹性系统在惯性、阻尼和弹性诸方面的耦合现象。

由惯性耦合产生附连质量，在有流速场存在的条件下，由阻尼耦合产生附连阻尼，由弹性耦合产生附连刚度。流体的附连质量、阻尼和刚度取决于流场的流动特征参量（诸如流速、水深、流量等）、边界条件以及弹性系统的特性，其关系式相当复杂。用实验或理论方法求出这些附连的量，是水弹性问题研究中的重要课题。

实验证明，漩涡的发放频率f可用无量纲参数斯特劳哈尔数St（Strouhal Number）来表示，表达式为：

f=St*V/D

St是构件剖面形状与雷诺数Re的函数，其定义式为St=D/（V*T）。

其中：V为垂直于构件轴线的速度（m/s）；

D为圆柱直径或柱体的其他特征长度（m）；

T为相关的特征时间（s）。

2020年5月6日凌晨，广东省交通集团通报称，专家组判断，虎门大桥5日发生振动系桥梁涡振现象，并认为悬索桥结构安全可靠，不会影响虎门大桥后续使用的结构安全和耐久性。

截至2020年5月6日11时，涡振仍未停止。葛耀君解释，二次涡振的成因与第一次涡振没有直接的联系，已经安排仪器观测数据，专家组正在对二次涡振的成因进行调查。

2020年5月11日，据中国交通报发布 ，据专家分析，水马是虎门大桥涡振诱因，虎门大桥结构安全，相关抑振措施正在研究实施中。 2100433B