重大建筑与桥梁强台风灾变关键效应精细化研究结题摘要

本项目从重大工程国家需求出发，开展六项研究工作，即强/台风场时空特性数据库和模拟模型、气动力数学模型与物理实验识别、三维气动力CFD数值识别与高雷诺数效应、结构风效应全过程精细化数值模拟方法与软件、结构风致振动多尺度物理模拟雨实测验证和结构风致灾变机理与控制措施，最终解决重大工程安全问题，获得如下几个方面的研究进展：(1)提出具有工程台风意义的台风场精细化预测模型，实现了水平分辨率200m、时间分辨率10min的近地面台风精细风场模拟；收集1600多个影响我国的台风资料，并建立了工程台风Monte Carlo 随机数值模拟平台。(2)研制了多风扇主动控制风洞，建立了用于多分量气动导纳识别以及考虑特征紊流效应的非定常抖振频域分析理论；建立了箱梁非线性竖向和扭转涡激力的数学模型；基于缩阶微分方法进一步提出了非线性、非定常颤振力和涡振力模型及其模型参数实验拟合方法；提出聚类分析算法自动快速识别大跨度桥梁主梁涡激振动方法。(3)提出了大跨度斜拉桥斜拉索风雨激振多相多尺度模型和数值雨模型，实现了斜拉索风雨激振多相多尺度高效高精度数值模拟，揭示了斜拉索风雨激振机理。(4)完成100多个超高层建筑模型在四类地貌条件下的测力\压\阻尼的模型风洞试验，开展了超高层建筑风致效应的多尺度研究（现场实测、风洞试验与数值模拟）；导出三维耦合风力数学模型；提出湍流来流边界条件自保持的新方法；提岀了新的大涡模拟亚格子模型及入口湍流流场产生的新方法和模拟平衡大气边界层的通用方法,实现了对大型建筑结构风效应全尺寸高雷诺数数值模拟。(5)基于系列气弹模型风洞试验，揭示了柔性屋盖的气弹失稳机理，建立了考虑气弹失稳的膜结构抗风设计方法；系统开展了柱面屋盖雷诺数效应风洞试验研究，揭示了壁面边界、三维绕流、来流湍流度和表面粗糙度等因素对柱面屋盖雷诺数效应的影响规律；提出了考虑认知不确定性的结构风效应概率模型，建立了风速和风效应样本数与结构风效应变异系数的关系。(6)系统研发了结构风效应全过程精细化数值模拟平台，可以有效模拟二/三维结构风效应全过程流固耦合效应和全过程气动力效应。(7)揭示了结构风致灾变机理和控制原理，集成了多种控制措施库（包括中央开槽、中央稳定板、检修轨道移位、水平分隔板、导流板、风嘴、MTMD、电涡流调谐质量阻尼器、吹吸气流动控制、栏杆倒角、风嘴、风障、导流板、隔涡板和稳定板等）。 2100433B

针对超大跨桥梁、超高层建筑和超大空间结构在强/台风作用下的动力灾变，重点突破强/台风场非平稳和非定常时空特性及其气动力理论模型、结构非线性动力灾变演化规律与全过程数值模拟及其验证、风致动力灾变的失效机理与控制原理等关键科学问题；采用理论分析、物理实验、数值模拟和现场实测相结合的方法，开展强/台风场时空特性数据库和模拟模型、结构气动力数学模型与物理实验识别、三维气动力CFD 数值识别与高雷诺数效应、结构风致振动多尺度物理模拟与实测验证、结构风致灾变机理与控制措施等研究工作；研发并集成具有自主知识产权的理论分析、数值模拟、物理试验和现场实测系统，形成重大建筑与桥梁强/台风动力灾变模拟集成系统；最终实现重大工程风致灾变全过程分析的重点跨越和理论升华，提升我国防灾减灾基础研究的原始创新能力，为保障我国超大尺度重大工程的安全建设和正常运行提供科学支撑。

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

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。