大跨度橋梁主梁結(jié)構(gòu)渦激力展向相關(guān)性試驗(yàn)研究結(jié)題摘要

大跨橋梁結(jié)構(gòu)具有頻率低、阻尼低等特點(diǎn)，主梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下易發(fā)生渦激振動(dòng)，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(dòng)，研究與防止橋梁結(jié)構(gòu)渦激振動(dòng)已成為大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。本課題重點(diǎn)開展了橋梁結(jié)構(gòu)二維渦激力模型氣動(dòng)參數(shù)識(shí)別方法、典型橋梁主梁斷面渦激力展向相關(guān)性試驗(yàn)研究以及大跨度橋梁結(jié)構(gòu)三維渦激振動(dòng)響應(yīng)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(dòng)參數(shù)識(shí)別方法及程序 分別針對(duì)Scanlan經(jīng)驗(yàn)線性模型、經(jīng)驗(yàn)非線性模型以及Larsen廣義范德波振子模型進(jìn)行渦激力模型氣動(dòng)參數(shù)識(shí)別研究，編寫了渦激力模型氣動(dòng)參數(shù)識(shí)別程序。以閉口流線型主梁斷面節(jié)段模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了不同渦激力模型氣動(dòng)參數(shù)識(shí)別，根據(jù)識(shí)別結(jié)果對(duì)主梁節(jié)段模型進(jìn)行渦激振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算，并與試驗(yàn)結(jié)果比較，從而驗(yàn)證了渦激力氣動(dòng)參數(shù)識(shí)別精度。 （2）研究了展向間距、振型對(duì)典型主梁斷面渦激力展向相關(guān)性的影響 首先進(jìn)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(guān)性風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了展向間距對(duì)這兩類典型斷面渦激力展向相關(guān)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(guān)系數(shù)變化規(guī)律。然后采用拉條模型試驗(yàn)進(jìn)行渦激力展向相關(guān)性試驗(yàn)研究，研究了展向間距、振型對(duì)渦激力展向相關(guān)性的影響。 （3）建立了橋梁結(jié)構(gòu)三維渦激振動(dòng)響應(yīng)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(dòng)參數(shù)識(shí)別方法以及典型斷面主梁渦激力展向相關(guān)性研究成果，暫不考慮展向間距對(duì)渦激力展向相關(guān)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(yīng)有限元分析方法，并以矩形斷面拉條模型試驗(yàn)為例進(jìn)行了驗(yàn)證。 本課題研究成果對(duì)于大跨橋梁結(jié)構(gòu)渦激振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算具有重要的參考意義。 2100433B

我國(guó)大跨度鋼橋越來越多，研究與防止渦激振動(dòng)已成為我國(guó)大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。目前大跨度橋梁主梁結(jié)構(gòu)渦激振動(dòng)主要通過節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)檢驗(yàn)，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(zhǔn)確預(yù)測(cè)渦振振幅。本項(xiàng)目從渦振具有三維空間特性的實(shí)際出發(fā)，重點(diǎn)研究展向間距、振型及紊流度對(duì)典型橋梁主梁斷面渦激力展向相關(guān)性的影響。結(jié)合二維渦激力模型建立相應(yīng)的氣動(dòng)參數(shù)識(shí)別方法；對(duì)閉口鈍體、流線型主梁斷面分別進(jìn)行節(jié)段模型渦激力氣動(dòng)參數(shù)識(shí)別和渦激力展向相關(guān)性研究；在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)簡(jiǎn)支主梁結(jié)構(gòu)氣彈模型，研究展向間距、振型對(duì)渦激力展向相關(guān)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(duì)渦激力展向相關(guān)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(guān)性函數(shù)嵌入到結(jié)構(gòu)有限元模型實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)三維渦激振動(dòng)響應(yīng)分析，并以一實(shí)際橋梁氣彈模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

對(duì)于實(shí)際大跨度橋梁主梁而言，渦激振動(dòng)屬于沿跨向的三維問題，除振型的影響外，渦激氣動(dòng)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(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)建立的渦激力半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛蠖嗷诙S理論，極少考慮渦激氣動(dòng)力的偏相關(guān)，從而導(dǎo)致節(jié)段模型試驗(yàn)結(jié)果直接拓展到全橋時(shí)存在較大誤差，進(jìn)而造成對(duì)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(yàn)線性及非線性經(jīng)驗(yàn)?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(yàn)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(yàn)?zāi)Ｐ椭写R(shí)別參數(shù)的修正方法。通過節(jié)段模型表面測(cè)壓試驗(yàn)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(yàn)、全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料很好地驗(yàn)證了本文的理論。 2100433B

大跨度橋梁的主梁渦激振動(dòng)問題是沿跨向的三維問題。由于對(duì)渦激力的跨向相關(guān)性的認(rèn)識(shí)和考慮不充分，在利用節(jié)段模型（二維）試驗(yàn)結(jié)果估計(jì)實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)(三維)的渦振性能時(shí)，往往會(huì)造成對(duì)大橋渦振性能的誤判。. 本項(xiàng)目將在已取得的渦激力跨向相關(guān)性研究成果及大跨度橋梁三維渦振分析方法的基礎(chǔ)上，采用自由振動(dòng)與強(qiáng)迫振動(dòng)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(cè)壓及尾流測(cè)速試驗(yàn)，揭示渦激力跨向相關(guān)性影響機(jī)制，探明模型展高比變化對(duì)渦激力本身及其跨向相關(guān)性的影響規(guī)律；研究斷面不同位置氣動(dòng)力及尾流渦脫對(duì)斷面整體渦激力相關(guān)性的貢獻(xiàn)；然后，以拉條模型試驗(yàn)結(jié)果為參考依據(jù)，多方法對(duì)比，尋找一種可通過常規(guī)試驗(yàn)手段獲得渦激力跨向相關(guān)性的試驗(yàn)方法；最后，建立一種利用常規(guī)節(jié)段模型試驗(yàn)便可準(zhǔn)確估計(jì)實(shí)橋各階模態(tài)下渦振響應(yīng)的三維渦激振動(dòng)實(shí)用分析方法，并通過拉條模型風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

渦激振動(dòng)致振風(fēng)速較低，是鈍體結(jié)構(gòu)上常見的一種限幅振動(dòng)，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(dòng)問題是沿跨向的三維問題， 在利用節(jié)段模型試驗(yàn)結(jié)果估計(jì)實(shí)際橋梁的渦振響應(yīng)時(shí)需計(jì)入振型和渦激力跨向相關(guān)性的影響，其中渦激力跨向相關(guān)性是本項(xiàng)目研究開展的重點(diǎn)。 本項(xiàng)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(guān)研究。采用自由振動(dòng)與強(qiáng)迫振動(dòng)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(cè)壓和測(cè)振試驗(yàn)，研究了幾種鈍體表面脈動(dòng)壓力分布特性、渦激力跨向相關(guān)性影響機(jī)理以及斷面不同位置氣動(dòng)力對(duì)整體渦激力相關(guān)性的貢獻(xiàn)。在已有研究成果的基礎(chǔ)上對(duì)三維渦振分析方法進(jìn)行了優(yōu)化，編制了大跨度橋梁三維渦振分析程序。然后對(duì)利用常規(guī)節(jié)段模型試驗(yàn)結(jié)果預(yù)估實(shí)橋各階模態(tài)下渦振響應(yīng)的三維渦激振動(dòng)方法進(jìn)行了簡(jiǎn)化，便于工程應(yīng)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(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)本項(xiàng)目方法進(jìn)行驗(yàn)證。 本項(xiàng)目的研究成果使大跨度橋梁的渦振響應(yīng)計(jì)算更加合理準(zhǔn)確，使大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)一步得到完善，具有十分重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。 2100433B