箱梁非定常渦激力跨向相關(guān)性及其應(yīng)用研究

渦激振動致振風(fēng)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(yàn)結(jié)果估計實(shí)際橋梁的渦振響應(yīng)時需計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。采用自由振動與強(qiáng)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(yàn)，研究了幾種鈍體表面脈動壓力分布特性、渦激力跨向相關(guān)性影響機(jī)理以及斷面不同位置氣動力對整體渦激力相關(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)的三維渦激振動方法進(jìn)行了簡化，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)計算更加合理準(zhǔn)確，使大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計進(jìn)一步得到完善，具有十分重要的科學(xué)意義和工程價值。 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(guān)性的認(rèn)識和考慮不充分，在利用節(jié)段模型（二維）試驗(yàn)結(jié)果估計實(shí)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(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，采用自由振動與強(qiáng)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(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力及尾流渦脫對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)確估計實(shí)橋各階模態(tài)下渦振響應(yīng)的三維渦激振動實(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。

以易發(fā)渦振的典型封閉和分離箱形斷面為對象，通過一系列同步測力測振和同步測壓測振節(jié)段模型試驗(yàn)研究橋梁渦激力的非線性特性和跨向相關(guān)性，建立相應(yīng)的非線性渦激力模型參數(shù)識別方法和經(jīng)驗(yàn)渦激力跨向相關(guān)性模型。在此基礎(chǔ)上，通過比較二維節(jié)段模型渦振響應(yīng)的分析和實(shí)測結(jié)果，深入研究各種渦激力模型的適用性，提出新的實(shí)用模型。建立基于非線性渦激力模型和經(jīng)驗(yàn)跨向相關(guān)性模型的大跨度橋梁三維渦激共振響應(yīng)分析方法，并應(yīng)用于實(shí)際工程。渦振是大跨度橋梁風(fēng)致振動的主要形式之一，由于其發(fā)生風(fēng)速較低、概率高，容易造成橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。但至今對渦振非線性特性機(jī)理和跨向相關(guān)性的認(rèn)識還較膚淺，渦激力模型識別方法不完善，預(yù)測手段停留處在二維節(jié)段模型直接試驗(yàn)法上，缺少合理可行的理論分析方法，尤其是在全橋三維非線性渦振分析方面仍幾乎是空白。因此本項(xiàng)目對橋梁抗風(fēng)理論的發(fā)展、合理預(yù)測和評估大跨度橋梁渦激共振性能具有重要的理論意義和實(shí)用價值。

對于海洋工程上普遍采用的圓柱形斷面結(jié)構(gòu)物，這種交替發(fā)放的瀉渦又會在柱體上生成順流向及橫流向周期性變化的脈動壓力。如果此時柱體是彈性支撐的，或者柔性管體允許發(fā)生彈性變形，那么脈動流體力將引發(fā)柱體(管體)的周期性振動，這種規(guī)律性的柱狀體振動反過來又會改變其尾流的瀉渦發(fā)放形態(tài)。這種流體一結(jié)構(gòu)物相互作用的問題被稱作“渦激振動”（Vortex-Induced Vibration ：VIV）。

在處理渦激振動問題時，把流體和固體彈性系統(tǒng)作為一個統(tǒng)一的動力系統(tǒng)加以考慮，并找到兩者的耦合條件，是解決這個問題的重要關(guān)鍵。在渦激振動過程中，流體的動壓力是一種作用于彈性系統(tǒng)的外加載荷，動壓力的大小取決于彈性系統(tǒng)振動的位移、速度和加速度;另一方面，流體動壓力的作用又會改變彈性系統(tǒng)振動的位移、速度和加速度。這種互相作用的物理性質(zhì)表現(xiàn)為流體對于彈性系統(tǒng)在慣性、阻尼和彈性諸方面的耦合現(xiàn)象。

由慣性耦合產(chǎn)生附連質(zhì)量，在有流速場存在的條件下，由阻尼耦合產(chǎn)生附連阻尼，由彈性耦合產(chǎn)生附連剛度。流體的附連質(zhì)量、阻尼和剛度取決于流場的流動特征參量（諸如流速、水深、流量等）、邊界條件以及彈性系統(tǒng)的特性，其關(guān)系式相當(dāng)復(fù)雜。用實(shí)驗(yàn)或理論方法求出這些附連的量，是水彈性問題研究中的重要課題。

實(shí)驗(yàn)證明，漩渦的發(fā)放頻率f可用無量綱參數(shù)斯特勞哈爾數(shù)St（Strouhal Number）來表示，表達(dá)式為：

f=St*V/D

St是構(gòu)件剖面形狀與雷諾數(shù)Re的函數(shù)，其定義式為St=D/（V*T）。

其中：V為垂直于構(gòu)件軸線的速度（m/s）；

D為圓柱直徑或柱體的其他特征長度（m）；

T為相關(guān)的特征時間（s）。

2020年5月6日凌晨，廣東省交通集團(tuán)通報稱，專家組判斷，虎門大橋5日發(fā)生振動系橋梁渦振現(xiàn)象，并認(rèn)為懸索橋結(jié)構(gòu)安全可靠，不會影響虎門大橋后續(xù)使用的結(jié)構(gòu)安全和耐久性。

截至2020年5月6日11時，渦振仍未停止。葛耀君解釋，二次渦振的成因與第一次渦振沒有直接的聯(lián)系，已經(jīng)安排儀器觀測數(shù)據(jù)，專家組正在對二次渦振的成因進(jìn)行調(diào)查。

2020年5月11日，據(jù)中國交通報發(fā)布 ，據(jù)專家分析，水馬是虎門大橋渦振誘因，虎門大橋結(jié)構(gòu)安全，相關(guān)抑振措施正在研究實(shí)施中。 2100433B