超大跨度橋梁風(fēng)致抖振力的精細(xì)化研究基本信息

超大跨度橋梁主要指跨度超過2000m的懸索橋和跨度超過1000m的斜拉橋。許多在一般大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)中可以粗略處理的問題在超大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)中卻可能成為設(shè)計(jì)控制條件而必須仔細(xì)加以研究。日本、丹麥、意大利等國率先開展了抗風(fēng)研究理論與方法的精細(xì)化進(jìn)程。氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)是橋梁斷面氣動(dòng)參數(shù)中最難測定的一個(gè)參數(shù)，它的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到抖振響應(yīng)估計(jì)的準(zhǔn)確性。意大利學(xué)者的單一頻率測定抖振力的方法與復(fù)氣動(dòng)導(dǎo)納的概念，在抖振力研究的精細(xì)化方向上前進(jìn)了一大步，但有兩個(gè)不足之處：第一是只能生成與氣動(dòng)方向垂直的豎向脈動(dòng)分量，因而只能測定與豎向脈動(dòng)分量相關(guān)的3個(gè)氣動(dòng)導(dǎo)納。第二是主動(dòng)格柵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)只能提供近似的正弦波。本申請項(xiàng)目將在意大利學(xué)者研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入研究，開發(fā)出更為完善的一套單一頻率測定復(fù)氣動(dòng)導(dǎo)納的方法，實(shí)現(xiàn)6個(gè)氣動(dòng)導(dǎo)納的同時(shí)測定；深入研究雷諾數(shù)影響，不同頻率分量之間的耦合效應(yīng)，抖振力與自激力的耦合與分離等等 2100433B

首先，通過節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)識別典型橋梁斷面的氣動(dòng)導(dǎo)納等參數(shù)，并測量脈動(dòng)風(fēng)和抖振力沿跨向的空間相關(guān)性。其次，基于橋梁斷面氣動(dòng)導(dǎo)納和抖振力空間相關(guān)性等參數(shù)的風(fēng)洞試驗(yàn)識別結(jié)果，發(fā)展能考慮實(shí)測抖振力空間相關(guān)性的大跨度橋梁耦合抖振響應(yīng)分析方法，開發(fā)出相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序。然后，應(yīng)用橋梁抖振響應(yīng)分析方法和全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)對大跨度橋梁的抖振機(jī)理進(jìn)行研究，并驗(yàn)證耦合抖振理論分析方法的可靠性和適用性。通過與傳統(tǒng)抖振 2100433B

在橋梁節(jié)段模型剛體測壓模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，橋梁主梁節(jié)段的氣動(dòng)抖振力與來流脈動(dòng)的相關(guān)性并不是很強(qiáng)，可見現(xiàn)有的線性定常氣動(dòng)抖振力數(shù)學(xué)模型有較大的局限性?；谶\(yùn)動(dòng)當(dāng)量假設(shè)，橋梁主梁斷面氣動(dòng)自激力的非定常性則從另外角度反映了橋梁抖振力所具有的非定常特性。鑒于現(xiàn)有準(zhǔn)定常的線性氣動(dòng)抖振力模型所存在的局限性，本課題提出一種橋梁斷面的非定常氣動(dòng)抖振力數(shù)學(xué)模型，建立大跨度橋梁新的抖振理論體系和分析方法。在將紊流的脈動(dòng)當(dāng)量為橋面自身運(yùn)動(dòng)的假設(shè)前提下，通過橋梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)提取非定常抖振力的氣動(dòng)參數(shù)。在該橋梁抖振理論分析方法中，綜合考慮橋梁主梁斷面氣動(dòng)自激力和氣動(dòng)抖振力的非定常特性，抖振分析時(shí)不需要考慮氣動(dòng)導(dǎo)納?；跇蛄褐髁簲嗝婀?jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD數(shù)值分析結(jié)果，對非定常氣動(dòng)抖振力數(shù)學(xué)模型和橋梁抖振分析方法的可靠性和適用性進(jìn)行驗(yàn)證。本課題研究成果對大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展具重要的的理論和實(shí)際意義。

本項(xiàng)目圍繞重大研究計(jì)劃的關(guān)鍵科學(xué)問題，開展大跨度橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)致動(dòng)力災(zāi)變效應(yīng)原型觀測與驗(yàn)證的研究。首先，研究大跨度橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)致動(dòng)力災(zāi)變效應(yīng)原型觀測系統(tǒng)；其次，分析原型觀測數(shù)據(jù)研究橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)場特性和模型參數(shù)及風(fēng)-雨耦合等效-相流模型；研究大跨度橋梁結(jié)構(gòu)抖振和風(fēng)雨振等風(fēng)致動(dòng)力災(zāi)變效應(yīng)的原型驗(yàn)證方法，分析其一致性和差異性；突破風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)限制，研究基于整體模態(tài)和局部應(yīng)變原型監(jiān)測信息的大跨度梁結(jié)構(gòu)氣動(dòng)力和氣動(dòng)參數(shù)識別方法，揭示氣動(dòng)力和氣動(dòng)參數(shù)的空間相關(guān)性、雷諾數(shù)效應(yīng)和湍流尺度效應(yīng)；發(fā)展橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)雨激振分析方法，揭示雨的作用機(jī)理；研究以原型觀測的結(jié)構(gòu)振動(dòng)為邊界條件的繞流場CFD數(shù)值計(jì)算子結(jié)構(gòu)方法，揭示橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)致災(zāi)變及其控制的微觀機(jī)理，為通過原型觀測研究結(jié)構(gòu)風(fēng)致災(zāi)變機(jī)理提供有效的方法。本項(xiàng)目研究，將形成大跨度橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)致動(dòng)力災(zāi)變效應(yīng)原型觀測的理論、方法、技術(shù)、系統(tǒng)和原始觀測數(shù)據(jù)，具有重要的科學(xué)意義。