大跨度橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)致動(dòng)力災(zāi)變的原型觀測(cè)與驗(yàn)證

建立了一座懸索橋和一座斜拉橋的風(fēng)與風(fēng)效應(yīng)原型觀測(cè)系統(tǒng)，取得了4年原型觀測(cè)數(shù)據(jù)（包括四年2座橋梁的風(fēng)況條件，斜拉索多模態(tài)渦激振動(dòng)，懸索橋主梁在平穩(wěn)風(fēng)下的渦激振動(dòng)、臺(tái)風(fēng)作用下的抖振和不同湍流度下的風(fēng)壓分布）。 提出了基于壓縮感知理論的橋梁風(fēng)致振動(dòng)采集方法，發(fā)展了基于壓縮采樣的無線傳感器數(shù)據(jù)丟失恢復(fù)方法；研究了不同風(fēng)速下橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律。 提出了物理試驗(yàn)/原型觀測(cè)與CFD混合模擬方法，并通過風(fēng)洞試驗(yàn)和流固耦合CFD數(shù)值計(jì)算揭示出混合模擬方法比傳統(tǒng)的流固耦合CFD數(shù)值計(jì)算具有更好的精度和更高的計(jì)算效率。 采用基于VOF的DNS及LES編制了多相流數(shù)值模擬計(jì)算程序,實(shí)現(xiàn)了斜拉索風(fēng)雨條件下水線的生成過程的數(shù)值模擬、給出了雨線存在時(shí)斜拉索上流場(chǎng)分布特點(diǎn)和壓力分布特點(diǎn)，揭示了斜拉索風(fēng)雨振發(fā)生的機(jī)理；研究了雨對(duì)箱梁顫振和渦激振動(dòng)風(fēng)致效應(yīng)的影響規(guī)律。 原型觀測(cè)了斜拉索高階多模態(tài)渦激振動(dòng)現(xiàn)象及其風(fēng)況條件；通過CFD數(shù)值計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)，分析了斜拉索多模態(tài)渦激振動(dòng)的氣動(dòng)力多模態(tài)和位移的參與特性及行波效應(yīng)、以及尾流旋渦托率鎖定的變化規(guī)律，通過不同高度上的風(fēng)速和圓柱斯托拉哈數(shù)計(jì)算得到了不同高度上的旋渦脫落頻率，揭示了近地剪切風(fēng)是其產(chǎn)生多模態(tài)渦激振動(dòng)的機(jī)理；研究了斜拉索多模態(tài)渦激振動(dòng)的主動(dòng)吸氣控制方法、控制效果，揭示了吸氣控制方法干擾了斜拉索尾流旋渦的有規(guī)律脫落、改變了分離點(diǎn)的控制機(jī)理；進(jìn)行了TMD控制斜拉索多模態(tài)渦激振動(dòng)的風(fēng)洞試驗(yàn)，結(jié)果表明，只有多個(gè)TMD才能有效控制斜拉索多模態(tài)渦激振動(dòng)。 基于原型監(jiān)測(cè)結(jié)果，得到了分離式雙箱梁（STBG）渦激振動(dòng)特性及風(fēng)況條件、表面壓力分布規(guī)律和St；通過原型觀測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD數(shù)值計(jì)算，分析了分離式雙箱梁渦激振動(dòng)全過程的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，結(jié)果表明STBG空隙間距對(duì)上下游箱梁周圍流場(chǎng)具有顯著影響，且是產(chǎn)生渦激振動(dòng)的重要因素，提出了STBG流態(tài)控制參數(shù)（空隙寬度L/箱梁高度D）、得到其臨界值，提出了STBG渦激振動(dòng)流態(tài)控制方法；通過不同比例模型風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了STBG的Re數(shù)效應(yīng)，得到了流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、阻力系數(shù)、St和振動(dòng)幅值隨Re數(shù)的變化規(guī)律，揭示了在不同Re下，流場(chǎng)的分離點(diǎn)與再附點(diǎn)的變化規(guī)律。 基于原型觀測(cè)研究了大跨度懸索橋抖振響應(yīng)特性，指出了原型觀測(cè)抖振與現(xiàn)有理論計(jì)算結(jié)果差別的原因。 2100433B

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(cè)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(cè)系統(tǒng)；其次，分析原型觀測(cè)數(shù)據(jù)研究橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)場(chǎng)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?cè)捅O(jiān)測(cè)信息的大跨度梁結(jié)構(gòu)氣動(dòng)力和氣動(dòng)參數(shù)識(shí)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(cè)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)為邊界條件的繞流場(chǎng)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(cè)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(cè)的理論、方法、技術(shù)、系統(tǒng)和原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，具有重要的科學(xué)意義。

大跨空間結(jié)構(gòu)承受的風(fēng)荷載時(shí)空特性復(fù)雜，其響應(yīng)具有多振型參與、多模態(tài)耦合和多場(chǎng)耦合的特點(diǎn)，一直是國(guó)際風(fēng)工程界關(guān)注的熱點(diǎn)問題。以往研究多以滿足結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)為目標(biāo)，較少關(guān)注結(jié)構(gòu)的風(fēng)致動(dòng)力災(zāi)變過程，而對(duì)其動(dòng)力災(zāi)變行為的研究是實(shí)現(xiàn)基于性態(tài)的結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。為此，本研究將采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)、CFD數(shù)值模擬和理論分析等方法對(duì)大跨空間結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)開展全方位研究，力求在以下幾方面實(shí)現(xiàn)突破：1）構(gòu)建城市近地風(fēng)統(tǒng)計(jì)模型和以特征湍流為本質(zhì)特征的結(jié)構(gòu)表面風(fēng)荷載統(tǒng)計(jì)模型；2）依據(jù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)致災(zāi)變特點(diǎn)，分別對(duì)剛性結(jié)構(gòu)的疲勞累積損傷效應(yīng)，柔性結(jié)構(gòu)的流固耦合效應(yīng)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的連續(xù)破壞效應(yīng)等問題進(jìn)行系統(tǒng)研究；3）以前面兩部分工作為基礎(chǔ)，研究大跨空間結(jié)構(gòu)的動(dòng)力災(zāi)變?nèi)^程行為，揭示結(jié)構(gòu)的風(fēng)致動(dòng)力破壞機(jī)理；并將成果集成于數(shù)值平臺(tái)。本項(xiàng)目研究是對(duì)現(xiàn)有研究成果的一次高度集成，也是對(duì)已有抗風(fēng)理論的一次超越。

大跨空間結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)問題具有風(fēng)荷載時(shí)空特性復(fù)雜、響應(yīng)參與振型眾多，以及多模態(tài)耦合和多場(chǎng)耦合等特點(diǎn)，是國(guó)際風(fēng)工程界關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本研究采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)、CFD數(shù)值模擬和理論分析等方法對(duì)大跨空間結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)的多個(gè)方面開展研究，并在以下幾方面取得了創(chuàng)新性成果：1）構(gòu)建城市近地風(fēng)統(tǒng)計(jì)模型和以特征湍流為本質(zhì)特征的結(jié)構(gòu)表面風(fēng)荷載統(tǒng)計(jì)模型；2）依據(jù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)致災(zāi)變特點(diǎn)，建立了圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)壓極值的計(jì)算理論，進(jìn)一步完善了風(fēng)振響應(yīng)的計(jì)算理論，提出了指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的等效風(fēng)荷載取值；3）以前面兩部分工作為基礎(chǔ)，研究大跨空間結(jié)構(gòu)的動(dòng)力災(zāi)變?nèi)^程行為，揭示結(jié)構(gòu)風(fēng)致動(dòng)力破壞機(jī)理；并初步形成數(shù)值集成平臺(tái)。 2100433B