流线型箱梁断面非线性自激气动力演化机理及规律研究

The streamlined box girder as a major girder type has been widely used in the practice of long-span bridges. Because of large displacement induced by structure itself and loads of long-span bridge, the nonlinearity of motion-induced aerodynamic force(MIAF) of streamlined box girder is remarkable. Based on the previous research on nonlinear MIAF, which was financially supported by National Science Foundation, a new the forced vibration equipment, sectional model wind tunnel tests, CFD numerical simulation and flow visualization technique will be used to investigate intensively the law of nonlinear MIAF on streamlined box girder section varying with attack angle, amplitude and reduced velocity. The research will also include the evolutionary prosperities and regularities of flow separation and vortex motion in flow field. The mathematical model representing the properties and regularities will be revised and improved and the evolutionary mechanism of nonlinear MIAF of streamline box girder will be ascertained. The evolutionary regularities of nonlinear MIAF on streamlined box girder in procedure of flutter/post-flutter will be carried out and a mathematic model will be proposed. The proposed study is essential to improve the nonlinear MIAF model, conduct the nonlinear aeroelastic analysis of bridges and the full procedure analysis of wind-induced dynamic disaster of long bridges.

流线型箱梁作为大跨度桥梁的主要梁型已广泛应用于实际工程。由于结构和荷载因素导致的桥梁大位移，流线型箱梁断面的自激气动力呈现显著的非线性特性。基于非线性自激气动力研究成果，利用最新研制的强迫振动装置和节段模型风洞试验，结合CFD数值模拟及流迹显示技术，系统研究流线型箱梁断面非线性自激气动力随攻角、振幅和折算风速的演化规律，以及绕流场中流动分离和漩涡运动的演化特征和规律，修改和完善描述演化特征和规律的数学模型，探明流线型箱梁断面非线性自激气动力的演化机理。在此基础上，开展流线型箱梁断面非线性自激气动力在桥梁颤振-颤振后全过程中演化规律的研究，并建立合理的数学描述。项目研究有助于完善现有非线性自激气动力模型、开展桥梁非线性气弹行为分析及桥梁风致动力灾变全过程分析。

通过为期三年的研究，项目开展的工作和取得的进展如下：.（1）开展了流线型箱梁断面从小振幅（2°扭转振幅）到大振幅（15°扭转振幅）下的自激气动力测试，折算风速范围从6-20。分别开展了流线型箱梁的单自由度竖向和扭转强迫振动测试，以及同频下的竖向-扭转耦合强迫振动测试，以及0°攻角和±5°攻角下的测试。试验明确了流线型箱梁非线性气动力随振幅和折算风速发展变化的规律，表明在小攻角（0°和±3°）和中等振幅下（8°扭转振幅），气动力的高次谐波分量可忽略，气动力以线性谐波为主导；在大攻角条件下（±5°），在小振幅（3°扭转振幅）下高次谐波分量不明显，但在中等振幅下（4°—8°扭转振幅）和大振幅下（9°—15°扭转振幅），高次谐波分量随振幅和折算风速的增加而增大。竖向运动下未发现明显的高次谐波分量。该结果表明，对于流线型箱梁，在常规的线性颤振计算时可不必考虑气动力的高次谐波分量对颤振的影响，但气动力的基波是随振幅和折算风速非线性变化。.（2）采用CFD数值计算手段，完成了流线型箱梁断面从小振幅（2°扭转振幅）到大振幅（25°扭转振幅）下的自激气动力测试，折算风速范围从6-20，揭示了气动力高次谐波分量产生的流场机理。指出断面运动的遮挡效应将导致其后方气流的回流，从而形成二次涡，由此产生了气动力的高次谐波分量。此机理也解释了为何在大攻角和大振幅条件下流线型箱梁的高次谐波分量显著的原因（遮挡效应明显）。研究结果表明，流动分离和二次涡是产生高次谐波分量的充要条件，若只有流动分离，则不会产生高次谐波分量，但会引起基波随试验条件的非线性变化。由此还可得出，在一定振幅范围内，可考虑基波引起的颤振导数变化，从而实现颤振-颤振后的非线性过程计算。.（3）采用强迫振动节段模型风洞试验测试和CFD数值计算手段，获得了流线型箱梁气动力和颤振导数随振幅和折算风速的变化规律，发现扭转运动才是引起气动力和颤振导数非线性变化的主要原因。提出了颤振-颤振后全过程的非线性计算方法，找到了多个颤振稳定点，得出了此过程中竖向参与度逐渐增大的结论。该结果表明，桥梁断面的软颤振可能是线性谐波分量随振幅非线性变化的结果，而非目前猜测的高次谐波分量作用的结果。计算方法同时也为桥梁颤振-颤振后的全过程研究提供了有效的借鉴。