大跨度桥梁非线性涡激力模型和三维涡振分析方法研究

以易发涡振的典型封闭和分离箱形断面为对象，通过一系列同步测力测振和同步测压测振节段模型试验研究桥梁涡激力的非线性特性和跨向相关性，建立相应的非线性涡激力模型参数识别方法和经验涡激力跨向相关性模型。在此基础上，通过比较二维节段模型涡振响应的分析和实测结果，深入研究各种涡激力模型的适用性，提出新的实用模型。建立基于非线性涡激力模型和经验跨向相关性模型的大跨度桥梁三维涡激共振响应分析方法，并应用于实际工程。涡振是大跨度桥梁风致振动的主要形式之一，由于其发生风速较低、概率高，容易造成桥梁结构的疲劳破坏。但至今对涡振非线性特性机理和跨向相关性的认识还较肤浅，涡激力模型识别方法不完善，预测手段停留处在二维节段模型直接试验法上，缺少合理可行的理论分析方法，尤其是在全桥三维非线性涡振分析方面仍几乎是空白。因此本项目对桥梁抗风理论的发展、合理预测和评估大跨度桥梁涡激共振性能具有重要的理论意义和实用价值。

涡激共振是大跨度桥梁主要风灾形式之一，由于其发生风速较低，在实际桥梁中频繁发生，容易造成钢桥梁的疲劳问题。但至今对涡振非线性特性机理和跨向相关性的认识还较肤浅，涡激力模型识别的理论和风洞试验技术还不成熟，对涡激共振评估的规范不完善，缺少合理可行的涡激力非线性数学模型和理论分析方法，因此，预测手段停留处在二维节段模型直接试验法上，也无法全面准确地考虑涡激共振的全桥三维非线性效应。.通过本项目研究，开发了用于高精度涡激力测试的内置式天平大比例节段模型同步测力测振风洞试验方法和技术；建立了基于节段模型涡激力时域信号的桥梁断面涡激力参数时域最小二乘识别方法；发现了扁平箱梁涡激力非线性主要来自振动响应的二次和三次项、中央开槽箱梁涡激力非线性则主要来自振动响应的四次和三次项的涡激力非线性行为的机理；在此基础上，获得了合理可靠的扁平箱梁断面涡激力新非线性数学模型，并对其可靠性进行了不同结构阻尼比大比例节段模型涡激共振响应试验的交叉验证；通过大比例节段模型同步测压测振风洞试验建立了典型箱梁涡激力跨向相关性数学模型，发现了在涡激共振锁定区，占主要成份的自激力显著增加了总涡激力的跨向相关性，其根方相干函数一般都超过了0.9；最后，建立了考虑非线性涡激力和涡激力沿跨向不完全相关性的大跨度桥梁三维非线性涡振响应时域分析方法，发现了由旋涡脱落直接产生的强迫涡激力的跨向不完安全相关性对大振幅涡激共振响应的影响可以忽略。.本项目研究成果不仅促进了桥梁涡激共振理论和试验技术的发展，填补了相关空白，而且为涡激共振的精细化研究开辟和一条新途径，更为开展更加合理的基于舒适度、疲劳和强度等桥梁使用和结构性能的大跨度桥梁涡激共振灾害评估、完善相关桥梁涡振规范创造了条件，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。