橋梁斷面抖振力理論模型及關(guān)鍵影響參數(shù)研究結(jié)題摘要

橋梁斷面抖振力理論模型的關(guān)鍵參數(shù)是氣動(dòng)導(dǎo)納和抖振力跨向相關(guān)特性，以前在模擬橋梁斷面的抖振力時(shí),由于不清楚橋梁斷面的氣動(dòng)導(dǎo)納和跨向相關(guān)特性，往往不考慮橋梁斷面的氣動(dòng)導(dǎo)納或者簡單的視為Sears函數(shù)，將脈動(dòng)風(fēng)的跨向相關(guān)性看作橋梁抖振力的跨向相關(guān)性，導(dǎo)致大跨橋梁抖振分析的結(jié)果與實(shí)際情況嚴(yán)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(fēng)分析中亟待突破的關(guān)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(jī)理，建立鈍體斷面氣動(dòng)導(dǎo)納和跨向相關(guān)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型；研究精確的不同橋梁斷面氣動(dòng)導(dǎo)納和抖振力跨向相關(guān)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(dòng)模擬裝置；在此基礎(chǔ)上，研究風(fēng)速參數(shù)特別是紊流積分尺度對不同橋梁斷面氣動(dòng)導(dǎo)納和抖振力跨向相關(guān)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(dòng)導(dǎo)納和抖振力跨向相關(guān)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(dòng)導(dǎo)納和以風(fēng)速相關(guān)代替抖振力相關(guān)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(guān)鍵參數(shù)是氣動(dòng)導(dǎo)納和抖振力跨向相關(guān)特性，但目前橋梁抖振分析中所用的氣動(dòng)導(dǎo)納和抖振力跨向相關(guān)性存在明顯缺陷，導(dǎo)致大跨橋梁抖振分析的結(jié)果與實(shí)際情況嚴(yán)重偏離，已經(jīng)成為大跨橋梁風(fēng)振分析研究方向上的一個(gè)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(jī)理，建立鈍體斷面氣動(dòng)導(dǎo)納和跨向相關(guān)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型；研究精確的橋梁斷面氣動(dòng)導(dǎo)納和抖振力跨向相關(guān)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(dòng)模擬裝置；在此基礎(chǔ)上，研究風(fēng)速參數(shù)特別是紊流積分尺度對不同橋梁斷面氣動(dòng)導(dǎo)納和抖振力跨向相關(guān)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(dòng)導(dǎo)納和抖振力跨向相關(guān)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(dòng)導(dǎo)納和以風(fēng)速相關(guān)代替抖振力相關(guān)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(fēng)洞試驗(yàn)識別典型橋梁斷面的氣動(dòng)導(dǎo)納等參數(shù)，并測量脈動(dòng)風(fēng)和抖振力沿跨向的空間相關(guān)性。其次，基于橋梁斷面氣動(dòng)導(dǎo)納和抖振力空間相關(guān)性等參數(shù)的風(fēng)洞試驗(yàn)識別結(jié)果，發(fā)展能考慮實(shí)測抖振力空間相關(guān)性的大跨度橋梁耦合抖振響應(yīng)分析方法，開發(fā)出相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序。然后，應(yīng)用橋梁抖振響應(yīng)分析方法和全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)對大跨度橋梁的抖振機(jī)理進(jìn)行研究，并驗(yàn)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(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了橋梁主梁斷面的氣動(dòng)抖振力具有較強(qiáng)的非定常性，但是直至目前為止尚無學(xué)者開展橋梁斷面非定常抖振力方面的研究。鑒于現(xiàn)有準(zhǔn)定常的線性氣動(dòng)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(dòng)與橋面自身運(yùn)動(dòng)的當(dāng)量假設(shè)，參照橋梁主梁斷面非定常的氣動(dòng)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(dòng)抖振力數(shù)學(xué)模型。結(jié)合主梁節(jié)段模型測力試驗(yàn)和測振試驗(yàn)結(jié)果，提出了大跨度橋梁斷面非定常抖振力氣動(dòng)參數(shù)的風(fēng)洞試驗(yàn)測試技術(shù)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(dǎo)數(shù)擬合了理想薄平板斷面非定常抖振力的氣動(dòng)參數(shù)，對本文識別方法進(jìn)行了驗(yàn)證。在將紊流的脈動(dòng)當(dāng)量為橋面自身運(yùn)動(dòng)的假設(shè)前提下，發(fā)展了能考慮非定常氣動(dòng)抖振力特性的大跨度橋梁隨機(jī)耦合抖振響應(yīng)分析方法，并編制相應(yīng)的計(jì)算機(jī)分析軟件。以南京長江三橋?yàn)槔?，用改進(jìn)的諧波合成方法模擬了大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的隨機(jī)風(fēng)場，用大跨度橋梁結(jié)構(gòu)非定常抖振響應(yīng)分析方法對橋梁最大單懸臂狀態(tài)抖振問題進(jìn)行了研究。將橋梁結(jié)構(gòu)抖振分析結(jié)果與全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了該橋梁抖振分析方法的可靠性和適用性。分析結(jié)果表明，按非定常氣動(dòng)抖振力特性的橋梁結(jié)構(gòu)抖振響應(yīng)分析得出了更加合理的計(jì)算結(jié)果。在橋梁結(jié)構(gòu)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(dòng)抖振力的非定常特性，因此橋梁抖振分析時(shí)不再需要考慮氣動(dòng)導(dǎo)納。本課題研究成果對大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展具重要的的理論和實(shí)際意義。 2100433B

在橋梁節(jié)段模型剛體測壓模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，橋梁主梁節(jié)段的氣動(dòng)抖振力與來流脈動(dòng)的相關(guān)性并不是很強(qiáng)，可見現(xiàn)有的線性定常氣動(dòng)抖振力數(shù)學(xué)模型有較大的局限性?；谶\(yùn)動(dòng)當(dāng)量假設(shè)，橋梁主梁斷面氣動(dòng)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(zhǔn)定常的線性氣動(dòng)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(dòng)抖振力數(shù)學(xué)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(dòng)當(dāng)量為橋面自身運(yùn)動(dòng)的假設(shè)前提下，通過橋梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)提取非定常抖振力的氣動(dòng)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(dòng)自激力和氣動(dòng)抖振力的非定常特性，抖振分析時(shí)不需要考慮氣動(dòng)導(dǎo)納。基于橋梁主梁斷面節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD數(shù)值分析結(jié)果，對非定常氣動(dòng)抖振力數(shù)學(xué)模型和橋梁抖振分析方法的可靠性和適用性進(jìn)行驗(yàn)證。本課題研究成果對大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展具重要的的理論和實(shí)際意義。