大跨度橋梁非定常風(fēng)致振動的非線性失穩(wěn)機理及理論

顫振和馳振是大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計中需要面對的兩種最危險自激失穩(wěn)現(xiàn)象，但顫振理論至今未能突破基于微幅振動假設(shè)的線性理論范疇，不能滿足具有現(xiàn)代柔性超大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計需求，而馳振理論至今也未能擺脫準定常假設(shè)，導(dǎo)致對其臨界風(fēng)速和響應(yīng)幅值的預(yù)測嚴重偏離實際，埋下安全隱患。本項目針對上述問題開展系統(tǒng)研究，取得了如下原創(chuàng)性成果： 研發(fā)了小型高精度動態(tài)三分量測力天平以及準靜態(tài)標定方法和系統(tǒng)，提出了能顯著降低慣性力成分、提高了自激力測量精度的內(nèi)置天平同步測力測振方法。建立了節(jié)段模型系統(tǒng)非線性瞬幅阻尼比和瞬幅頻率（剛度）的時域識別方法，及非線性非風(fēng)致附加氣動阻尼和質(zhì)量參數(shù)識別方法，進一步提高了自激力測量精度。 率先提出了多種寬高比矩形及凹角和切角矩形斷面的橫風(fēng)向自激力非定常非線性精細化數(shù)學(xué)模型，建立了基于能量等效原理的模型參數(shù)識別三步最小二乘法，徹底擺脫了準定常假設(shè)的束縛。通過對自激力不同成分做功演化規(guī)律及其對馳振穩(wěn)態(tài)幅值的影響，揭示了馳振“發(fā)生、發(fā)展和自限幅”的機理，提出了可精確預(yù)測細長鈍體結(jié)構(gòu)馳振穩(wěn)態(tài)幅值的非定常自激力統(tǒng)一簡化非線性數(shù)學(xué)模型。研究了凹角和切角措施的減振效果和機理。建立了考慮風(fēng)速剖面的鈍體結(jié)構(gòu)非定常馳振三維非線性分析方法，得到了氣彈模型試驗驗證。從功等效瞬幅阻尼系數(shù)隨振幅演化規(guī)律出發(fā)闡明了馳振分岔和在較高風(fēng)速區(qū)消失現(xiàn)象的機理。 通過自激力做功演化規(guī)律和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)參數(shù)分析，揭示了雙邊肋梁和半封閉箱梁單自由度非線性扭轉(zhuǎn)顫振的“發(fā)生、發(fā)展和自限幅”的機理，提出了自激扭矩精細化和簡化非線性數(shù)學(xué)模型，建立了單自由度非線性扭轉(zhuǎn)顫振全橋三維分析理論，得到了全橋氣動彈性模型試驗驗證。 提出了全封閉箱梁彎扭耦合顫振自激升力和扭矩的非線性數(shù)學(xué)模型，建立了模型參數(shù)識別方法，并分析其耦合顫振“發(fā)生、發(fā)展和自限幅”的機理。建立了彎扭耦合非線性顫振分析的二維兩自由度復(fù)模態(tài)時頻混合理論和全橋多自由三維頻混合分析理論。 項目研究解決了鈍體馳振自激力數(shù)學(xué)模型的統(tǒng)一、馳振響應(yīng)精確預(yù)測及顫振后非線性位移響應(yīng)精確預(yù)測國際難題，具有前瞻性和創(chuàng)新性，為今后超大跨度橋梁非線性抗風(fēng)穩(wěn)定性設(shè)計理論奠定了扎實基礎(chǔ)。 2100433B

風(fēng)振失穩(wěn)包括顫振和馳振等，是對大跨度橋梁危害最大且必須避免的風(fēng)致振動現(xiàn)象，由于實際橋梁經(jīng)常具有非流線形斷面，其風(fēng)振失穩(wěn)都同時具有非定常和非線性特性，沒有明顯的突然發(fā)散臨界點，因此，如何合理確其臨界風(fēng)速一直是橋梁風(fēng)工程領(lǐng)域一個懸而未決的前沿課題。本項目以一系列典型矩形和修角矩形斷面以及四種典型中等寬高比非流線形橋梁斷面為對象，擬采用內(nèi)置天平同步測力測振彈簧懸掛節(jié)段模型風(fēng)洞試驗、全結(jié)構(gòu)氣動彈性模型風(fēng)洞試驗和理論分析研究相結(jié)合的方法，探索軟顫振和軟馳振的非定常自激力非線性機理和全過程能量演化規(guī)律；提出適應(yīng)性好、可靠性高的實用非定常自激力非線性數(shù)學(xué)模型；并以此為基礎(chǔ)，建立大跨度橋非定常風(fēng)振非線性失穩(wěn)問題的實用分析理論，以及一種更加合理、切實可行的、基于結(jié)構(gòu)性能的非流線形大跨度橋梁軟顫振和軟馳振這類非定常風(fēng)致振動非線性失穩(wěn)問題的評價體系或臨界風(fēng)速判斷準則，具有重要的理論和實際意義。

本項目針對大跨度橋梁非定常氣動力的基本特性展開研究。主要研究內(nèi)容涉及到橋梁的顫振穩(wěn)定性、非線性后顫振時程理論、氣動導(dǎo)納的本質(zhì)特性、懸索橋長吊桿的非線性風(fēng)致共振等多項內(nèi)容。主要研究成果包含以下幾方面：（1）鈍體橋梁的非定常氣動力不具備有可疊加性，體現(xiàn)在氣動自激力與抖振力不可疊加，以及各頻率湍流成份對抖振力的貢獻不可疊加。因此，傳統(tǒng)意義下的氣動導(dǎo)納函數(shù)，即不依賴于風(fēng)場特性的導(dǎo)納函數(shù)對于鈍體橋梁而言不存在。我們在橋梁風(fēng)工程中應(yīng)用氣動導(dǎo)納函數(shù)時，必須注意試驗中紊流場與實際情況的相似性；（2）提出了多階段階躍函數(shù)的橋梁后顫振分析理論，結(jié)束了采用單一顫振臨界風(fēng)速評價橋梁氣動穩(wěn)定性能的現(xiàn)狀。后顫振理論方法的提出，使得我們有能力對結(jié)構(gòu)顫振后極限環(huán)振幅隨風(fēng)速的演變進行計算，這一理論的提出，使得今后有途徑對橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定的強健性進行評估與改善；（3）首次提出，并在試驗室里再現(xiàn)了橋梁主結(jié)構(gòu)隨機抖振引起長吊桿內(nèi)共振這一概念。這一概念的提出，成功地解釋了困惑國際風(fēng)工程領(lǐng)域長達十多年的長吊桿風(fēng)振現(xiàn)象。這類長吊桿的大幅風(fēng)振，多次在大帶東橋與我國西堠門大橋上出現(xiàn)。對這一現(xiàn)象本質(zhì)的認識，有助于有效減振措施的提出；（4）從理論解決了橋梁渦激共振節(jié)段模型與原型橋梁的振幅轉(zhuǎn)換關(guān)系，彌補了國內(nèi)、國際上各規(guī)范的不足； 2100433B

橋梁在空間脈動風(fēng)場中的力學(xué)行為問題涉及到結(jié)構(gòu)振動的自激力描述、脈動風(fēng)引起的氣動力描述兩大方面。通過與航空學(xué)中薄機翼理論的對比可知，多年來橋梁顫抖振理論及氣動導(dǎo)納理論均沿用了機翼理論中的非定常氣動力可疊加性。然而，非定常氣動力可疊加性是否適合于鈍體橋梁斷面決定了顫抖振模型以及該模型中內(nèi)嵌的氣動導(dǎo)納理論的合理性。本申請項目通過研究薄機翼非定常氣動力的形成機理以及假設(shè)前提，再結(jié)合機翼非定常氣動力理論中一些基本假定在橋梁風(fēng)工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，討論橋梁顫抖振理論以及氣動導(dǎo)納理論中多年來存在的問題、指出可能的解決途徑，在研究思路上富有突破性地脫離長期以來的理論誤區(qū)。在新研究思路的指導(dǎo)下，針對鈍體橋梁斷面展開一系列的試驗研究并根據(jù)斷面非定常氣動力可疊加的程度進行合理分類。區(qū)別對待近似滿足與不滿足非定常氣動力疊加原理的兩種類型，在此基礎(chǔ)上探討相應(yīng)的試驗識別方法、氣動導(dǎo)納識別方法以及橋梁隨機風(fēng)振的顫抖振模型。

橋梁風(fēng)致振動的經(jīng)典理論體系是在40年代－70年代發(fā)展起來的。主要適用于懸索橋結(jié)構(gòu)。80年代以來作了一些改進，使之基本適用于斜拉橋的抗風(fēng)研究。但是經(jīng)典抗風(fēng)理論已越來越不能適應(yīng)現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展，并且也出現(xiàn)了一些新的抗風(fēng)課題。因此，有必要開展能適用于現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動與控制的現(xiàn)代理論體系研究?，F(xiàn)代理論的核心是要擺脫只計主梁氣動力作用等經(jīng)典理論基本假定的限制，研究其它重要構(gòu)件的氣動力荷載的特性、表達方式與測定方法，進而建立計及全部主要構(gòu)件（梁、索、塔）氣動力荷載的改進的橋梁顫振與抖振理論?，F(xiàn)代理論研究也包括紊流效應(yīng)以及現(xiàn)代控制理論的深入研究。如同經(jīng)典抗風(fēng)理論促進了輕柔大跨懸索橋的發(fā)展一樣，現(xiàn)代抗風(fēng)理論將會對超大跨度橋梁以及復(fù)合材料輕型橋梁的發(fā)展起到巨大促進作用。