超大跨斜拉橋顫振形態(tài)全過程數值模擬及機理研究基本信息

超大跨徑斜拉橋在強風作用下，風荷載引起的主梁大位移和附加攻角所帶來的結構幾何非線性及氣動力非線性效應對顫振形態(tài)的影響及強風－橋相互作用的荷載效應，目前的研究不是十分明確。本項目摒棄線性氣動力模型假設，綜合應用計算流體動力學方法和計算結構力學方法并有效處理兩者的耦合策略，針對強風環(huán)境下超大跨度斜拉橋的顫振形態(tài)進行全過程數字模擬。真實反映反映大幅振動與強風之間瞬態(tài)的非定常耦合作用及結構非線性變形和流動本身固有的三維特性對顫振形態(tài)的影響，明晰整體結構的宏觀表現（位移及氣動力）及與振動同步的瞬時流態(tài)的聯系以揭示其相互作用機理。 2100433B

隨著世界經濟和交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來越多的跨海大橋在建或將建。進入新世紀后，我國特大橋梁建設成就舉世矚目，在全世界最大跨度前10名特大纜索承重橋中，懸索橋占5座、斜拉橋占7座，面對特大橋梁建設的國家需求和橋梁抗風研究的科學使命，研究團隊開展創(chuàng)新工作迫在眉前。橋梁顫振是橋梁抗風的重要研究內容之一，而顫振發(fā)生機理是橋梁顫振的重中之重。目前對橋梁典型斷面的顫振機理研究較少，且對其顫振后狀態(tài)分支跳轉的發(fā)生機理研究尤為空白。因此開展對橋梁典型斷面的氣動性能演化規(guī)律及其機理研究、特別顫振后狀態(tài)分支跳轉發(fā)生機理的研究工作尤為重要。本課題旨在遵循試驗-理論分析，并著眼于實際工程應用的研究思路，擬采用實驗室試驗、數值模擬等手段，通過桁架主梁斷面、分離雙箱梁、閉口箱梁以及流線型平板等典型斷面的風洞試驗，并采用計算流體軟件對顫振后狀態(tài)的數值模擬，以建立一種新的顫振機理研究理論，對其進行較為深入的研究。

纜索的局部振動對斜拉橋顫振特性的影響程度和影響機理，是大跨徑斜拉橋顫振考察不可回避的問題。處于風場中的纜索，作為張力弦局部振動的理論計算和風洞實驗模擬一直是橋梁風工程難以解決的問題。本項目引入了纜索的多鏈桿模型，計入幾何剛度，建立可反映纜索局部振動的纜索模型。采用線性阻尼模擬結構主要振型的阻尼，針對不同建筑材料的橋梁實現全橋結構阻尼的有限元模擬。利用全橋三維顫振分析的通用有限元程序方法，考察主跨600m級跨徑斜拉橋、主跨1000m級跨徑斜拉橋、主跨2x600m級三塔斜拉橋的動力特性和顫振特性，以及纜索局部振動對動力特性和顫振特性的影響。 對于主跨600m級跨徑的斜拉橋，纜索局部振動對全橋動力特性有明顯影響，大量纜索局部振動模態(tài)出現在全橋主要模態(tài)中，一階和二階纜索正弦半波以索面同相位振動出現在全橋整體模態(tài)中。纜索局部振動對動力特性的固有頻率有一定幅度的影響。對于不同的主要模態(tài)，幅度達1-10%。顫振臨界風速對固有頻率的敏感性體現在小幅的固有頻率的改變將導致較大的顫振臨界風速的變化。全橋的三維顫振分析揭示了纜索局部振動對600m級跨徑橋梁的顫振特性有顯著的影響。計入纜索局部振動可使主跨600m級跨徑斜拉橋顫振臨界風速提高超過20%。顫振形態(tài)中纜索主要出現的是一階正弦半波的局部振動。影響機理表現為纜索局部振動通過改變全橋整體振動的頻率和局部振動振型參與的氣動彈性作用對橋梁整體顫振臨界狀態(tài)產生影響。 通過對主跨1000m級跨徑雙塔斜拉橋的計算，發(fā)現橋梁整體固有模態(tài)中出現了較多高階正弦半波的纜索局部振動。顫振形態(tài)中有二階正弦半波纜索局部振動出現。同時顫振分析的迭代計算中模態(tài)的跟蹤很困難，特征值的提取亦較困難，須要反復更改頻率搜索范圍，才能得到結果，且不能排除特征值遺漏情形。對于主跨2x600m級的三塔斜拉橋，固有模態(tài)和顫振模態(tài)相對于雙塔斜拉橋呈現出不同的特征，顫振形態(tài)為反對稱扭轉為主。在此基礎上，構造了邊中塔高比作為影響因素的不同的工況，籍以反映邊中塔高比在斜拉橋立面方案設計中的合理變化范圍，并保持雙主跨跨徑不變。對此模型系列進行計算，討論了三塔斜拉橋邊中塔高比對橋梁動力特性以及顫振特性的影響。 探討了通過風洞試驗模擬纜索局部振動對顫振特性影響的技術途徑，認為在現有風洞試驗條件下，全橋風洞試驗在模擬全橋整體動力特性的時候，很難同時模擬纜索的張力和質量分布，張力模擬和質量 2100433B

大跨度橋梁的顫振分析是抗風設計的主要依據，而風場模擬和顫振導數識別是進行顫振分析的兩個前提條件。本項目在國家自然科學基金(512080155)資助下，進行了顫振分析、顫振導數識別以及風場模擬三個方面的工作。主要內容包括：研究了三種不同相干函數條件下模擬脈動風的統(tǒng)計特征變化規(guī)律，對比分析了三種風場模擬程序(諧波合成法、線性濾波法和特征正交分解法)的計算效率，研究結果表明：采用修正的指數表達式相干函數模擬的脈動風具有負相關性，同時能較好解決譜密度矩陣不正定的問題；諧波合成法較為適合橋梁結構的脈動風場模擬。提出了識別顫振導數的思路簡單、適用性更廣的小波識別法；改進了識別顫振導數的隨機子空間法；編制了兩種方法的計算程序，并通過算例分析驗證了這些方法的有效性。發(fā)展了大跨度橋梁結構氣動耦合顫振的雙模態(tài)和多模態(tài)分析方法，對幾座典型橋梁結構進行了耦合顫振分析，通過不同方法分析結果與精確解或試驗結果之間的比較，驗證了其有效性。提出了另一種修正的分步分析法，與Matsumoto提出的修正分步分析法相比，物理意義更明確；利用其對幾種典型橋梁斷面的顫振機理進行了深入的研究，同時首次探索性地解釋了顫振后狀態(tài)顫振分支跳轉的原因。 2100433B