复杂山区地形风特性及其对高墩大跨桥梁风振影响研究

With the further developing of the traffic infrastructures in China, the large-span bridges crossing bays and mountain valleys will be constructed greatly within the period of the next few years. It is difficult to design the large-span bridges over mountain valleys terrain because of the complexity of wind characteristics, the complexity of spatial distribution of the mean and fluctuating wind, and the complexity of wind effects on large-span bridges. Therefore, it is one of the focus of the study in the bridge aerodynamics to investigate the wind characteristics and its effects on large-span bridges over mountain valleys terrain in recent years. According to the inadequate research on wind-resistant of large-span bridges over mountain valleys, the wind characteristics over complex terrain and its effects on lrage-span bridges with high pylons will be investigated in present project on the background of Chishi bridge, a multi-pylon cable-stayed bridge crossing mountain valleys in Hunan,which is under construction now. Wind characteristics over mountain valleys terrain will be investigated comprehensively with wind tunnel tests of terrain model, in-situ measurements and CFD simulations, and the reasonable description methods of the wind characteristics over complex terrain will be estabilished.In-situ measurements of the respones of wind-induced vibrations of the lrage-span bridge over the complex terrain during construction and inservice stages will be carried out to investigated the features and mechanisms of wind-induced vibration of the bridge.To take the factors of inhomogeneity of the spatial distribution of wind characteristics, the fluctuating wind effects and vortex-shedding force of high pylons into account, the calculation methods of wind loads and wind-induced vibrations of large-span bridges crossing complex mountain valleys terrain will be established.

随着国家交通基础设施建设的进一步推进，跨海湾、山区峡谷大跨桥梁将逐渐成为今后若干时期内大跨桥梁建设的重点。复杂山区地形大跨桥梁抗风设计具有风特性复杂（平均风及脉动风空间分布复杂）、山区风对大跨桥梁作用效应复杂等特点，因此，复杂山区地形桥位大跨桥梁抗风研究逐渐成为近年来桥梁风工程领域研究的热点问题之一。本项目针对复杂山区地形桥位大跨桥梁抗风研究的不足，以在建的赤石特大桥为工程依托，对复杂山区地形桥位风特性及其对高墩大跨桥梁风振影响进行研究。采用地形模型风洞试验、现场实测和CFD数值模拟相结合的方法对复杂山区风特性进行系统研究，建立复杂山区地形桥位风特性合理描述方法；对复杂山区地形高墩大跨桥梁施工期与成桥状态风振响应进行实测，以研究其风振响应规律与风振机理；考虑复杂山区地形桥位风特性空间分布的不均匀性、桥塔脉动风效应以及涡激力等因素，建立复杂山区地形高墩大跨桥梁风荷载及风振响应分析方法。

随着国家交通基础设施建设的进一步推进，跨海弯、山区峡谷大跨桥梁逐渐成为当前交通基础设施建设的重点。复杂山区地形大跨度桥梁抗风设计具有风特性分布复杂、山区风对桥梁结构作用效应复杂等特点，因此复杂山区地形桥位大跨度桥梁抗风性能研究逐渐成为近年来桥梁风工程领域研究的热点问题之一。. 本项目针对复杂山区地形桥位风特性及其对高墩大跨桥梁风振影响进行研究，依托实际桥梁工程开展了现场实测、风洞试验和CFD数值模拟研究工作，重点围绕山区地形桥位风特性、复杂山区地形桥位设计风参数确定方法、高墩大跨桥梁风振响应计算方法、下击暴流风特性及桥梁结构下击暴流风效应等进行系统研究。现场实测研究发现，山区地形桥位风受地形影响与平原区存在较大差异，且主梁高度处风速、风攻角等参数沿桥轴线方向存在一定的差异；山区地形桥位易出现局部突变强风（如下击暴流），实测瞬时风速可达32m/s，工程实践中应予以关注；开展了高墩大跨桥梁施工期风致振动响应实测研究工作，分析了大风天气高墩大跨桥梁风致振动响应随风速的变化关系，并将桥梁结构风振响应计算结果与实测结果进行了比较，识别了桥梁结构施工期关键振动模态频率和阻尼比。采用计算流体动力学方法结合地形数字模型建立了复杂山区地形桥位风特性CFD数值模拟方法，针对单峰山丘、典型二维峡谷地形风场特性进行了CFD数值模拟，并与试验结果进行了比较，在此基础上结合实际桥梁工程进行了桥位地形风特性数值模拟研究，获得了桥位处主梁设计基准风速和风攻角等参数。在综合国内多座山区大跨桥梁桥位地形特点的基础上，设计并制作了对称V型、不对称V型和U型峡谷地形模型，开展了典型峡谷地形风特性风洞试验研究，获得了典型峡谷地形桥位风特性的分布规律，研究表明峡谷地形风的影响包括峡谷加速效应和地形高度影响两个方面。开展了下击暴流风特性现场实测、风洞试验与CFD数值模拟研究工作，开发了边界层风洞下击暴流水平风速模拟试验装置，并进行了下击暴流风场下CAARC标准建筑模型和大跨连续刚构桥气弹模型试验研究，建立了下击暴流作用下桥梁结构抖振响应分析方法。. 本课题的研究成果对于山区地形大跨桥梁的抗风设计理论和方法具有重要的推动作用，对于完善公路桥梁抗风设计规范中关于山区地形风特性和山区桥梁抗风设计条文的制定具有重要的参考价值，课题部分研究成果已应用于山区大跨桥梁抗风设计与施工期抗风性能研究中。