大跨桥梁非线性软颤振理论、试验与数值模拟研究

大跨桥梁软颤振气动非线性十分明显，而目前研究却非常滞后。本课题首先基于非线性振动理论，建立适合表征桥梁软颤振的气动非线性自激力模型，提出非线性气动参数的识别方法，力求解决线性自激力模型面临的问题；然后通过风洞试验，研究大振幅自由振动系统的固有阻尼非线性及降低措施，旨在提高软颤振分析精度；接着融合风洞试验同步测振、测力和测压信息，从多种角度研究软颤振的主要影响因素，从而明确软颤振诱发条件；进一步采用数值模拟方法，基于能量原理和反馈原理，揭示软颤振的驱动机理；在此基础上，给出提高软颤振临界风速的可行措施。通过本课题研究，可望在桥梁非线性气动力建模与参数识别、软颤振的风洞试验方法与数值模拟技术、软颤振机理解释与振动控制等方面取得突破，为弥补桥梁现行抗风设计理论和规范存在的不足，提供有益的参考和借鉴。

在浙江大榭二桥、港珠澳大桥和郑州桃花峪黄河桥、盘锦辽东湾新区内湖东桥和中桥等节段模型风洞试验中，发现某些工况发生软颤振，气动力非线性现象尤为突出，而目前研究非常滞后。本课题主要研究内容包括：（1） 非线性自激力建模及气动力参数识别：根据软颤振非线性振动特点，建立纯扭和弯扭耦合非线性自激力模型。基于传统已有颤振导数识别理论及新建立的非线性自激力模型，研究软颤振非线性气动参数识别方法。（2）不同试验条件下软颤振测振、测压试验研究：针对2-3种典型主梁断面，通过改变初始阻尼比、攻角、模态频率、模态质量、试验风速等条件，获得纯扭和弯扭耦合软颤振位移、加速度及各测点压强时程。（3）数值模拟方法研究桥梁主梁断面软颤振：按风洞试验软颤振运动时程，强迫数值模拟模型振动，提取总气动力及各关注点时程，若力与能量各满足平衡方程，则可证明数值模拟方法可用于研究非线性软颤振；采用自由振动方法，捕捉计算不同条件下，桥梁软颤振响应，并与风洞试验结果对比分析。（4）非线性理论模型适用性及软颤振机理研究：基于桥梁风洞试验及数值模拟软颤振实测振动信号，识别非线性自激力模型气动参数，对理论模型精度和适用性进行验证。根据软颤振试验测量结果和数值模拟计算结果，提取总气动力及各关注点时程，建立力、能量两种平衡方程，关注扭转中心是否前移，非线性的强弱；从信号统计值、频率、功率谱、相关性和相位差等角度，追踪非线性因素导致反馈信号强度和极性演变过程，揭示软颤振诱发机理。（5）桥梁软颤振振动控制：通过风洞试验和数值模拟方法，结合机理解释，研究提高桥梁软颤振风速的有效实用的气动措施，包括措施的尺寸及具体位置；基于理论分析，研究采用主动吹气和吸气及阻尼器(机械措施)提高桥梁软颤振风速的有效性及可行性，包括阻尼器参数取值及具体布置方案。对以上几方面展开全面深入的理论、试验与数值模拟研究，取得了多项重要的创新性成果，在美国土木工程师学会期刊结构工程, 工程力学, 桥梁工程, 宇航工程及国际权威期刊工程结构, 风与结构已发表及录用论文10篇，发表国际国内学术会议论文8篇，培养博士生1名，硕士生3名，未来2-3年将陆续有更多相关成果发表。本研究在桥梁非线性气动力建模与参数识别、软颤振的风洞试验方法与数值模拟技术、软颤振机理解释与振动控制等方面取得成果，为弥补桥梁现行抗风设计理论和规范存在的不足，提供有益的参考和借鉴。