橋梁斷面抖振力理論模型及關鍵影響參數(shù)研究

橋梁斷面抖振力理論模型的關鍵參數(shù)是氣動導納和抖振力跨向相關特性，以前在模擬橋梁斷面的抖振力時,由于不清楚橋梁斷面的氣動導納和跨向相關特性，往往不考慮橋梁斷面的氣動導納或者簡單的視為Sears函數(shù)，將脈動風的跨向相關性看作橋梁抖振力的跨向相關性，導致大跨橋梁抖振分析的結果與實際情況嚴重偏離，制約了大跨特別是超大跨橋梁抖振分析的精確性，是目前橋梁抗風分析中亟待突破的關鍵問題。 本課題首先從理論上研究鈍體斷面氣固耦合的相互作用機理，建立鈍體斷面氣動導納和跨向相關函數(shù)的數(shù)學模型；研究精確的不同橋梁斷面氣動導納和抖振力跨向相關函數(shù)的參數(shù)識別方法；研制能夠產(chǎn)生大紊流積分尺度的紊流主動模擬裝置；在此基礎上，研究風速參數(shù)特別是紊流積分尺度對不同橋梁斷面氣動導納和抖振力跨向相關特性的影響規(guī)律，建立考慮紊流積分尺度和橋梁斷面特征尺寸的橋梁斷面氣動導納和抖振力跨向相關函數(shù)的理論公式；修正傳統(tǒng)上橋梁抖振分析以Sears函數(shù)作為氣動導納和以風速相關代替抖振力相關的明顯缺陷，完善大跨橋梁抖振分析理論。 2100433B

橋梁斷面抖振力理論模型的關鍵參數(shù)是氣動導納和抖振力跨向相關特性，但目前橋梁抖振分析中所用的氣動導納和抖振力跨向相關性存在明顯缺陷，導致大跨橋梁抖振分析的結果與實際情況嚴重偏離，已經(jīng)成為大跨橋梁風振分析研究方向上的一個瓶頸，亟待突破。.本課題首先從理論上研究鈍體斷面氣固耦合的相互作用機理，建立鈍體斷面氣動導納和跨向相關函數(shù)的數(shù)學模型；研究精確的橋梁斷面氣動導納和抖振力跨向相關函數(shù)的參數(shù)識別方法；研制能夠產(chǎn)生大紊流積分尺度的紊流主動模擬裝置；在此基礎上，研究風速參數(shù)特別是紊流積分尺度對不同橋梁斷面氣動導納和抖振力跨向相關特性的影響規(guī)律，建立考慮紊流積分尺度和橋梁斷面特征尺寸的橋梁斷面氣動導納和抖振力跨向相關函數(shù)的理論公式；修正傳統(tǒng)上橋梁抖振分析以Sears函數(shù)作為氣動導納和以風速相關代替抖振力相關的明顯缺陷，完善大跨橋梁抖振分析理論。

首先，通過節(jié)段模型風洞試驗識別典型橋梁斷面的氣動導納等參數(shù)，并測量脈動風和抖振力沿跨向的空間相關性。其次，基于橋梁斷面氣動導納和抖振力空間相關性等參數(shù)的風洞試驗識別結果，發(fā)展能考慮實測抖振力空間相關性的大跨度橋梁耦合抖振響應分析方法，開發(fā)出相應的計算機程序。然后，應用橋梁抖振響應分析方法和全橋氣彈模型風洞試驗對大跨度橋梁的抖振機理進行研究，并驗證耦合抖振理論分析方法的可靠性和適用性。通過與傳統(tǒng)抖振 2100433B

盡管風洞試驗發(fā)現(xiàn)了橋梁主梁斷面的氣動抖振力具有較強的非定常性，但是直至目前為止尚無學者開展橋梁斷面非定常抖振力方面的研究。鑒于現(xiàn)有準定常的線性氣動抖振力模型所存在的局限性，本課題從全新的角度首次嘗試地開展了橋梁斷面非定常抖振力方面的研究?；谖闪髅}動與橋面自身運動的當量假設，參照橋梁主梁斷面非定常的氣動自激力形式，提出了一種用階躍函數(shù)表示的橋梁主梁斷面非定常氣動抖振力數(shù)學模型。結合主梁節(jié)段模型測力試驗和測振試驗結果，提出了大跨度橋梁斷面非定常抖振力氣動參數(shù)的風洞試驗測試技術和識別方法。以理想薄平板斷面作為數(shù)值算例，根據(jù)理想薄平板斷面的顫振導數(shù)擬合了理想薄平板斷面非定常抖振力的氣動參數(shù)，對本文識別方法進行了驗證。在將紊流的脈動當量為橋面自身運動的假設前提下，發(fā)展了能考慮非定常氣動抖振力特性的大跨度橋梁隨機耦合抖振響應分析方法，并編制相應的計算機分析軟件。以南京長江三橋為例，用改進的諧波合成方法模擬了大跨度橋梁結構的隨機風場，用大跨度橋梁結構非定常抖振響應分析方法對橋梁最大單懸臂狀態(tài)抖振問題進行了研究。將橋梁結構抖振分析結果與全橋氣彈模型風洞試驗結果進行了對比，驗證了該橋梁抖振分析方法的可靠性和適用性。分析結果表明，按非定常氣動抖振力特性的橋梁結構抖振響應分析得出了更加合理的計算結果。在橋梁結構非定常抖振理論分析方法中，由于綜合考慮了橋梁主梁斷面氣動抖振力的非定常特性，因此橋梁抖振分析時不再需要考慮氣動導納。本課題研究成果對大跨度橋梁抗風設計理論的發(fā)展具重要的的理論和實際意義。 2100433B

在橋梁節(jié)段模型剛體測壓模型風洞試驗結果中發(fā)現(xiàn)，橋梁主梁節(jié)段的氣動抖振力與來流脈動的相關性并不是很強，可見現(xiàn)有的線性定常氣動抖振力數(shù)學模型有較大的局限性?；谶\動當量假設，橋梁主梁斷面氣動自激力的非定常性則從另外角度反映了橋梁抖振力所具有的非定常特性。鑒于現(xiàn)有準定常的線性氣動抖振力模型所存在的局限性，本課題提出一種橋梁斷面的非定常氣動抖振力數(shù)學模型，建立大跨度橋梁新的抖振理論體系和分析方法。在將紊流的脈動當量為橋面自身運動的假設前提下，通過橋梁節(jié)段模型風洞試驗提取非定常抖振力的氣動參數(shù)。在該橋梁抖振理論分析方法中，綜合考慮橋梁主梁斷面氣動自激力和氣動抖振力的非定常特性，抖振分析時不需要考慮氣動導納?；跇蛄褐髁簲嗝婀?jié)段模型風洞試驗和CFD數(shù)值分析結果，對非定常氣動抖振力數(shù)學模型和橋梁抖振分析方法的可靠性和適用性進行驗證。本課題研究成果對大跨度橋梁抗風設計理論的發(fā)展具重要的的理論和實際意義。