大跨度桥梁主梁涡激振动特性研究

现代大跨度桥梁跨度更大、结构更轻柔、自振频率较低，在低风速下主梁易发生涡激共振现象。它是一种带有自激性质的风致限幅振动，尽管不象颤振、弛振那样具有发散性质，但由于其起振风速低、发生频度大，且某些特定情况下的振幅之大足以影响行车安全，因而在施工及运营阶段避免涡激共振或限制其振幅在可接受的范围之内具有十分重要的意义。.经验非线性模型已被证明是描述主梁节段（二维）涡激共振现象的有效途径。本课题拟选取有代表性2-3座大跨度桥梁的主梁作为研究对象，通过常规和大尺度节段模型风洞试验，探讨经验非线性模型中未知参数的时域识别方法；通过全桥气动弹性模型试验，研究主梁沿跨向涡激气动力相关性，建立描述涡激气动力跨向相关的数学模型；利用以上研究成果，最终建立大跨度桥梁主梁涡激振动的数学模型和分析方法。

对于实际大跨度桥梁主梁而言，涡激振动属于沿跨向的三维问题，除振型的影响外，涡激气动力沿跨向是非完全相关的(或称其为偏相关)。现行的、基于模型风洞试验或现场实测建立的涡激力半经验模型大多基于二维理论，极少考虑涡激气动力的偏相关，从而导致节段模型试验结果直接拓展到全桥时存在较大误差，进而造成对桥梁结构抗风性能的误判。课题分别基于Scanlan涡激力经验线性及非线性经验模型，在引入可能影响涡激力相关性参数的基础上，在频域内研究了涡激力沿跨向的相关性。通过Fourier变换及Duhamel积分等数学原理得到二维力谱到三维广义力谱的转换关系，定义了二维与原型桥梁涡振响应之间的折减系数，给出了将节段模型涡振试验结果应用到原型桥梁的具体理论方法，并给出了涡激力经验模型中待识别参数的修正方法。通过节段模型表面测压试验研究了涡激力沿跨向的相关性，并拟合得到相关函数。最后，通过节段模型风洞试验、全桥气弹模型风洞试验以及现场实测资料很好地验证了本文的理论。