大跨度橋梁主梁結(jié)構(gòu)渦激力展向相關性試驗研究

大跨橋梁結(jié)構(gòu)具有頻率低、阻尼低等特點，主梁結(jié)構(gòu)在風作用下易發(fā)生渦激振動，如Kessock橋、第二塞文橋、Rio-Niteroi橋、東京灣大橋、大海帶東橋、伏爾加河大橋及西堠門大橋等均發(fā)生了渦激振動，研究與防止橋梁結(jié)構(gòu)渦激振動已成為大跨度橋梁抗風設計的關鍵問題之一。本課題重點開展了橋梁結(jié)構(gòu)二維渦激力模型氣動參數(shù)識別方法、典型橋梁主梁斷面渦激力展向相關性試驗研究以及大跨度橋梁結(jié)構(gòu)三維渦激振動響應有限元分析方法研究。主要研究成果： （1）建立了主梁二維渦激力模型氣動參數(shù)識別方法及程序 分別針對Scanlan經(jīng)驗線性模型、經(jīng)驗非線性模型以及Larsen廣義范德波振子模型進行渦激力模型氣動參數(shù)識別研究，編寫了渦激力模型氣動參數(shù)識別程序。以閉口流線型主梁斷面節(jié)段模型試驗數(shù)據(jù)為基礎，進行了不同渦激力模型氣動參數(shù)識別，根據(jù)識別結(jié)果對主梁節(jié)段模型進行渦激振動響應計算，并與試驗結(jié)果比較，從而驗證了渦激力氣動參數(shù)識別精度。 （2）研究了展向間距、振型對典型主梁斷面渦激力展向相關性的影響 首先進行了矩形斷面主梁、閉口流線型斷面主梁節(jié)段模型渦激力展向相關性風洞試驗，研究了展向間距對這兩類典型斷面渦激力展向相關性的影響，獲得了矩形斷面主梁、閉口流線型斷面主梁渦振鎖定區(qū)內(nèi)外渦激力展向相關系數(shù)變化規(guī)律。然后采用拉條模型試驗進行渦激力展向相關性試驗研究，研究了展向間距、振型對渦激力展向相關性的影響。 （3）建立了橋梁結(jié)構(gòu)三維渦激振動響應有限元分析方法 基于大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS，結(jié)合橋梁主梁結(jié)構(gòu)二維渦激力模型氣動參數(shù)識別方法以及典型斷面主梁渦激力展向相關性研究成果，暫不考慮展向間距對渦激力展向相關性影響，僅考慮振型的影響，建立了大跨度橋梁結(jié)構(gòu)三維渦振響應有限元分析方法，并以矩形斷面拉條模型試驗為例進行了驗證。 本課題研究成果對于大跨橋梁結(jié)構(gòu)渦激振動響應計算具有重要的參考意義。 2100433B

我國大跨度鋼橋越來越多，研究與防止渦激振動已成為我國大跨度橋梁抗風設計的關鍵問題之一。目前大跨度橋梁主梁結(jié)構(gòu)渦激振動主要通過節(jié)段模型風洞試驗檢驗，而理論分析方法僅停留在二維模型階段，三維理論分析近乎空白，從而無法準確預測渦振振幅。本項目從渦振具有三維空間特性的實際出發(fā)，重點研究展向間距、振型及紊流度對典型橋梁主梁斷面渦激力展向相關性的影響。結(jié)合二維渦激力模型建立相應的氣動參數(shù)識別方法；對閉口鈍體、流線型主梁斷面分別進行節(jié)段模型渦激力氣動參數(shù)識別和渦激力展向相關性研究；在此基礎上設計簡支主梁結(jié)構(gòu)氣彈模型，研究展向間距、振型對渦激力展向相關性和渦振振幅的影響；在低紊流度條件下，研究展向間距、振型及紊流度對渦激力展向相關性和渦振振幅的影響。將主梁結(jié)構(gòu)二維渦激力模型與渦激力展向相關性函數(shù)嵌入到結(jié)構(gòu)有限元模型實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)三維渦激振動響應分析，并以一實際橋梁氣彈模型試驗進行驗證。

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的(或稱其為偏相關)?，F(xiàn)行的、基于模型風洞試驗或現(xiàn)場實測建立的渦激力半經(jīng)驗模型大多基于二維理論，極少考慮渦激氣動力的偏相關，從而導致節(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)驗模型，在引入可能影響渦激力相關性參數(shù)的基礎上，在頻域內(nèi)研究了渦激力沿跨向的相關性。通過Fourier變換及Duhamel積分等數(shù)學原理得到二維力譜到三維廣義力譜的轉(zhuǎn)換關系，定義了二維與原型橋梁渦振響應之間的折減系數(shù)，給出了將節(jié)段模型渦振試驗結(jié)果應用到原型橋梁的具體理論方法，并給出了渦激力經(jīng)驗模型中待識別參數(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性，并擬合得到相關函數(shù)。最后，通過節(jié)段模型風洞試驗、全橋氣彈模型風洞試驗以及現(xiàn)場實測資料很好地驗證了本文的理論。 2100433B

大跨度橋梁的主梁渦激振動問題是沿跨向的三維問題。由于對渦激力的跨向相關性的認識和考慮不充分，在利用節(jié)段模型（二維）試驗結(jié)果估計實際橋梁結(jié)構(gòu)(三維)的渦振性能時，往往會造成對大橋渦振性能的誤判。. 本項目將在已取得的渦激力跨向相關性研究成果及大跨度橋梁三維渦振分析方法的基礎上，采用自由振動與強迫振動相結(jié)合的方式，在渦振鎖定區(qū)開展一系列箱梁節(jié)段模型表面測壓及尾流測速試驗，揭示渦激力跨向相關性影響機制，探明模型展高比變化對渦激力本身及其跨向相關性的影響規(guī)律；研究斷面不同位置氣動力及尾流渦脫對斷面整體渦激力相關性的貢獻；然后，以拉條模型試驗結(jié)果為參考依據(jù)，多方法對比，尋找一種可通過常規(guī)試驗手段獲得渦激力跨向相關性的試驗方法；最后，建立一種利用常規(guī)節(jié)段模型試驗便可準確估計實橋各階模態(tài)下渦振響應的三維渦激振動實用分析方法，并通過拉條模型風洞試驗進行驗證。

渦激振動致振風速較低，是鈍體結(jié)構(gòu)上常見的一種限幅振動，容易引發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)疲勞破壞、行車舒適性等問題。大跨度橋梁的主梁渦激振動問題是沿跨向的三維問題， 在利用節(jié)段模型試驗結(jié)果估計實際橋梁的渦振響應時需計入振型和渦激力跨向相關性的影響，其中渦激力跨向相關性是本項目研究開展的重點。 本項目選取了1:5矩形斷面、大貝爾特東橋的引橋斷面（梯形）以及流線型箱梁斷面三種不同類型的典型鈍體斷面開展相關研究。采用自由振動與強迫振動相結(jié)合的方式，在渦振鎖定區(qū)附近開展了大量的表面測壓和測振試驗，研究了幾種鈍體表面脈動壓力分布特性、渦激力跨向相關性影響機理以及斷面不同位置氣動力對整體渦激力相關性的貢獻。在已有研究成果的基礎上對三維渦振分析方法進行了優(yōu)化，編制了大跨度橋梁三維渦振分析程序。然后對利用常規(guī)節(jié)段模型試驗結(jié)果預估實橋各階模態(tài)下渦振響應的三維渦激振動方法進行了簡化，便于工程應用。最后，利用矩形和梯形兩種斷面的節(jié)段模型和拉條模型風洞試驗對本項目方法進行驗證。 本項目的研究成果使大跨度橋梁的渦振響應計算更加合理準確，使大跨度橋梁抗風設計進一步得到完善，具有十分重要的科學意義和工程價值。 2100433B