桥梁结构涡激力精细化研究与涡激共振的三维分析方法

涡激振动是大跨度桥梁结构在较低风速下容易发生的一种有害的风致振动现象。与桥梁颤振的研究进程相比，桥梁结构涡激振动机理和理论研究一直处于滞后状态，迄今为止尚未形成系统的被普遍接受的桥梁结构涡激振动机理和理论描述，这在一定程度上制约了桥梁结构抗风设计理论的发展，我国规范中关于涡激振动方面的条文已远远不能满足现有大跨度桥梁建设的需要。本项目拟从涡激力的本质特性入手，采用强迫振动装置、三节段测力测压复合节段模型等先进的风洞试验手段对涡激力进行精细化测量，研究涡激力和振动位移之间的相位关系，并结合CFD数值模拟对涡激力的本质特性进行深入分析，系统研究涡激力自激－限幅特性形成的机理，考察并改进现有的非线性半经验涡激力模型。基于实测自激力的展向相关性函数和有限元模型提出桥梁结构涡激振动响应的三维分析方法。在试验测量和理论分析的基础上，提出适用于目前大跨度桥梁设计的涡振幅值计算方法。

本项目主要针对桥梁结构有关的风致涡激共振响应及涡激力特性进行了研究，属于土木工程领域的应用基础研究。研究过程综合应用了节段模型自由振动试验、强迫振动试验、气动弹性模型风洞试验等试验技术和CFD数值模拟手段，取得了如下主要成果：.（1）通过节段模型自由振动风洞试验研究了矩形断面、H型断面、边主梁断面等多种桥梁构件截面的涡激振动性能，研究了气动外形、雷诺数、Scruton数、频率比等参数对涡激振动特性的影响，并选取矩形断面进行了节段模型强迫振动和气动弹性模型试验研究，比较了不同试验方式对应的涡激振动响应特性的差异。.（2）选择了矩形和边主梁截面的四种典型断面进行了CFD分析，从微观上研究了气流经过断面之后的旋涡脱落特性，并通过模型在静止状态、自由振动状态和强迫振动状态的试验结果对比研究了涡激振动产生的涡脱力、包含自激力的涡激力、运动位移的频率特性以及力和位移之间的相位关系。.（3）研究了尾流振子模型和经验模型两类涡激力模型，通过实例1/6矩形断面的试验数据考察了常用的Scanlan非线性经验涡激力模型，发现识别参数对模型系统的依赖性很强，很难把识别结果推广应用；.（4）通过拉条模型研究了涡激振动的相关性，发现涡激共振发生后涡激力沿跨向的相关性显著增强，并提出了多点支撑弹性连续梁模型进行涡激振动特性的研究；.（5）基于Tamura涡激力模型提出了桥梁矩形构件的三维涡振响应分析方法并与试验结果进行了对比，验证了其可行性；.（6）通过实例对比研究了5种主要的涡激力模型对应的涡激共振幅值估算方法，发现对于简单的桥梁构件Ruscheweyh估算方法的精度最高，但是用于估算桥梁结构的涡振响应偏差很大；.（7）基于26组试验数据拟合得到了宽高比0.5<B/D<3矩形断面的涡振幅值估算公式，可以供桥梁设计中矩形吊杆等重要构件的抗风设计参考使用。.项目研究过程中去国外参加国际风工程会议学术交流1次，参加国内举行的国际会议1次，参加全国结构风工程会议3人次，研究成果已撰写并投稿国内EI期刊论文8篇，投稿国外SCI刊源论文1篇，其中5篇已经录用待刊，申报并获得国家发明专利1项，项目协助培养了博士研究生2名，硕士研究生3名。