大跨度橋梁非線性渦激力模型和三維渦振分析方法研究

渦激共振是大跨度橋梁主要風(fēng)災(zāi)形式之一，由于其發(fā)生風(fēng)速較低，在實際橋梁中頻繁發(fā)生，容易造成鋼橋梁的疲勞問題。但至今對渦振非線性特性機理和跨向相關(guān)性的認識還較膚淺，渦激力模型識別的理論和風(fēng)洞試驗技術(shù)還不成熟，對渦激共振評估的規(guī)范不完善，缺少合理可行的渦激力非線性數(shù)學(xué)模型和理論分析方法，因此，預(yù)測手段停留處在二維節(jié)段模型直接試驗法上，也無法全面準確地考慮渦激共振的全橋三維非線性效應(yīng)。 通過本項目研究，開發(fā)了用于高精度渦激力測試的內(nèi)置式天平大比例節(jié)段模型同步測力測振風(fēng)洞試驗方法和技術(shù)；建立了基于節(jié)段模型渦激力時域信號的橋梁斷面渦激力參數(shù)時域最小二乘識別方法；發(fā)現(xiàn)了扁平箱梁渦激力非線性主要來自振動響應(yīng)的二次和三次項、中央開槽箱梁渦激力非線性則主要來自振動響應(yīng)的四次和三次項的渦激力非線性行為的機理；在此基礎(chǔ)上，獲得了合理可靠的扁平箱梁斷面渦激力新非線性數(shù)學(xué)模型，并對其可靠性進行了不同結(jié)構(gòu)阻尼比大比例節(jié)段模型渦激共振響應(yīng)試驗的交叉驗證；通過大比例節(jié)段模型同步測壓測振風(fēng)洞試驗建立了典型箱梁渦激力跨向相關(guān)性數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)了在渦激共振鎖定區(qū)，占主要成份的自激力顯著增加了總渦激力的跨向相關(guān)性，其根方相干函數(shù)一般都超過了0.9；最后，建立了考慮非線性渦激力和渦激力沿跨向不完全相關(guān)性的大跨度橋梁三維非線性渦振響應(yīng)時域分析方法，發(fā)現(xiàn)了由旋渦脫落直接產(chǎn)生的強迫渦激力的跨向不完安全相關(guān)性對大振幅渦激共振響應(yīng)的影響可以忽略。 本項目研究成果不僅促進了橋梁渦激共振理論和試驗技術(shù)的發(fā)展，填補了相關(guān)空白，而且為渦激共振的精細化研究開辟和一條新途徑，更為開展更加合理的基于舒適度、疲勞和強度等橋梁使用和結(jié)構(gòu)性能的大跨度橋梁渦激共振災(zāi)害評估、完善相關(guān)橋梁渦振規(guī)范創(chuàng)造了條件，具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。 2100433B

以易發(fā)渦振的典型封閉和分離箱形斷面為對象，通過一系列同步測力測振和同步測壓測振節(jié)段模型試驗研究橋梁渦激力的非線性特性和跨向相關(guān)性，建立相應(yīng)的非線性渦激力模型參數(shù)識別方法和經(jīng)驗渦激力跨向相關(guān)性模型。在此基礎(chǔ)上，通過比較二維節(jié)段模型渦振響應(yīng)的分析和實測結(jié)果，深入研究各種渦激力模型的適用性，提出新的實用模型。建立基于非線性渦激力模型和經(jīng)驗跨向相關(guān)性模型的大跨度橋梁三維渦激共振響應(yīng)分析方法，并應(yīng)用于實際工程。渦振是大跨度橋梁風(fēng)致振動的主要形式之一，由于其發(fā)生風(fēng)速較低、概率高，容易造成橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。但至今對渦振非線性特性機理和跨向相關(guān)性的認識還較膚淺，渦激力模型識別方法不完善，預(yù)測手段停留處在二維節(jié)段模型直接試驗法上，缺少合理可行的理論分析方法，尤其是在全橋三維非線性渦振分析方面仍幾乎是空白。因此本項目對橋梁抗風(fēng)理論的發(fā)展、合理預(yù)測和評估大跨度橋梁渦激共振性能具有重要的理論意義和實用價值。

渦激振動是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)在較低風(fēng)速下容易發(fā)生的一種有害的風(fēng)致振動現(xiàn)象。與橋梁顫振的研究進程相比，橋梁結(jié)構(gòu)渦激振動機理和理論研究一直處于滯后狀態(tài)，迄今為止尚未形成系統(tǒng)的被普遍接受的橋梁結(jié)構(gòu)渦激振動機理和理論描述，這在一定程度上制約了橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計理論的發(fā)展，我國規(guī)范中關(guān)于渦激振動方面的條文已遠遠不能滿足現(xiàn)有大跨度橋梁建設(shè)的需要。本項目擬從渦激力的本質(zhì)特性入手，采用強迫振動裝置、三節(jié)段測力測壓復(fù)合節(jié)段模型等先進的風(fēng)洞試驗手段對渦激力進行精細化測量，研究渦激力和振動位移之間的相位關(guān)系，并結(jié)合CFD數(shù)值模擬對渦激力的本質(zhì)特性進行深入分析，系統(tǒng)研究渦激力自激－限幅特性形成的機理，考察并改進現(xiàn)有的非線性半經(jīng)驗渦激力模型?；趯崪y自激力的展向相關(guān)性函數(shù)和有限元模型提出橋梁結(jié)構(gòu)渦激振動響應(yīng)的三維分析方法。在試驗測量和理論分析的基礎(chǔ)上，提出適用于目前大跨度橋梁設(shè)計的渦振幅值計算方法。

本項目主要針對橋梁結(jié)構(gòu)有關(guān)的風(fēng)致渦激共振響應(yīng)及渦激力特性進行了研究，屬于土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。研究過程綜合應(yīng)用了節(jié)段模型自由振動試驗、強迫振動試驗、氣動彈性模型風(fēng)洞試驗等試驗技術(shù)和CFD數(shù)值模擬手段，取得了如下主要成果： （1）通過節(jié)段模型自由振動風(fēng)洞試驗研究了矩形斷面、H型斷面、邊主梁斷面等多種橋梁構(gòu)件截面的渦激振動性能，研究了氣動外形、雷諾數(shù)、Scruton數(shù)、頻率比等參數(shù)對渦激振動特性的影響，并選取矩形斷面進行了節(jié)段模型強迫振動和氣動彈性模型試驗研究，比較了不同試驗方式對應(yīng)的渦激振動響應(yīng)特性的差異。 （2）選擇了矩形和邊主梁截面的四種典型斷面進行了CFD分析，從微觀上研究了氣流經(jīng)過斷面之后的旋渦脫落特性，并通過模型在靜止?fàn)顟B(tài)、自由振動狀態(tài)和強迫振動狀態(tài)的試驗結(jié)果對比研究了渦激振動產(chǎn)生的渦脫力、包含自激力的渦激力、運動位移的頻率特性以及力和位移之間的相位關(guān)系。 （3）研究了尾流振子模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛢深悳u激力模型，通過實例1/6矩形斷面的試驗數(shù)據(jù)考察了常用的Scanlan非線性經(jīng)驗渦激力模型，發(fā)現(xiàn)識別參數(shù)對模型系統(tǒng)的依賴性很強，很難把識別結(jié)果推廣應(yīng)用； （4）通過拉條模型研究了渦激振動的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)渦激共振發(fā)生后渦激力沿跨向的相關(guān)性顯著增強，并提出了多點支撐彈性連續(xù)梁模型進行渦激振動特性的研究； （5）基于Tamura渦激力模型提出了橋梁矩形構(gòu)件的三維渦振響應(yīng)分析方法并與試驗結(jié)果進行了對比，驗證了其可行性； （6）通過實例對比研究了5種主要的渦激力模型對應(yīng)的渦激共振幅值估算方法，發(fā)現(xiàn)對于簡單的橋梁構(gòu)件Ruscheweyh估算方法的精度最高，但是用于估算橋梁結(jié)構(gòu)的渦振響應(yīng)偏差很大； （7）基于26組試驗數(shù)據(jù)擬合得到了寬高比0.5 2100433B

對于實際大跨度橋梁主梁而言，渦激振動屬于沿跨向的三維問題，除振型的影響外，渦激氣動力沿跨向是非完全相關(guān)的(或稱其為偏相關(guān))?，F(xiàn)行的、基于模型風(fēng)洞試驗或現(xiàn)場實測建立的渦激力半經(jīng)驗?zāi)Ｐ痛蠖嗷诙S理論，極少考慮渦激氣動力的偏相關(guān)，從而導(dǎo)致節(jié)段模型試驗結(jié)果直接拓展到全橋時存在較大誤差，進而造成對橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能的誤判。課題分別基于Scanlan渦激力經(jīng)驗線性及非線性經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，在引入可能影響渦激力相關(guān)性參數(shù)的基礎(chǔ)上，在頻域內(nèi)研究了渦激力沿跨向的相關(guān)性。通過Fourier變換及Duhamel積分等數(shù)學(xué)原理得到二維力譜到三維廣義力譜的轉(zhuǎn)換關(guān)系，定義了二維與原型橋梁渦振響應(yīng)之間的折減系數(shù)，給出了將節(jié)段模型渦振試驗結(jié)果應(yīng)用到原型橋梁的具體理論方法，并給出了渦激力經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭写R別參數(shù)的修正方法。通過節(jié)段模型表面測壓試驗研究了渦激力沿跨向的相關(guān)性，并擬合得到相關(guān)函數(shù)。最后，通過節(jié)段模型風(fēng)洞試驗、全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗以及現(xiàn)場實測資料很好地驗證了本文的理論。 2100433B