基于SHMS的大跨悬索桥强/台风作用及其效应的精细化研究

针对目前强/台风特性及大跨度悬索桥风致抖振研究中存在的几个关键问题，从理论分析、数值模拟、现场观测三个方面着手，利用润扬大桥结构健康监测系统（SHMS）风环境与结构响应监测子系统等记录的各种时程数据以及台风期间上桥实测数据，采用多尺度方法进行强/台风作用下大跨度悬索桥抖振响应分析理论的精细化研究，主要内容包括：（1）建立桥址区强/台风特性数据库，给出当地强/台风特性的定量描述，研究紊流谱及空间相关性的合理取值；（2）基于典型强/台风期间的全过程现场实测数据检验现有大跨悬索桥抖振分析理论的可靠性，并对其进行精细化改进；（3）对现有的斜风分解法进行完善，并引入多尺度理论建立一套斜风作用下大跨度悬索桥抖振响应非线性时域分析的精细方法，以实现数值计算与现场实测结果在局部尺度上的对比；（4）综合利用理论分析、数值计算和现场实测结果，开展大跨度悬索桥强/台风作用机理研究，并将成果应用于国家重点工程。

本课题以润扬大桥、苏通大桥等为工程背景，针对目前强/台风特性及大跨桥梁抖振研究中存在的几个关键问题，从理论分析、数值模拟、现场观测三方面进行研究，利用桥梁结构健康监测系统（SHMS）风与结构响应监测子系统等记录的各种时程数据以及多次强/台风期间上桥实测数据，采用多尺度方法进行了强/台风作用下大跨桥梁抖振分析理论精细化研究，主要成果包括：.（1）建立了大跨度桥梁风特性测试分析及三维脉动风场模拟精细方法。研发了多种新型无线风速仪和桥梁风特性测试专用支架；建立了风谱模型精细模拟方法，解决了实测风谱经常存在拐点，而规范中Kaimal、Panofsky谱均无拐点的问题，获多项国家发明专利。建立了基于实测风特性的大跨度桥梁三维脉动风场模拟精细方法，其中模拟目标功率谱和相关函数由SHMS实测超强台风数据运用非线性最小二乘法拟合而得，并与基于规范谱的风场模拟结果进行了对比。编制了专用软件，实现了平均和脉动风特性精细分析以及三维脉动风场模拟。获得了桥址区紊流风特性的合理取值和变化规律，初步建立了基于长期实测的华东沿海地区强/台风谱模型。.（2）斜风作用下大跨度桥梁抖振响应时域分析方法的建立及验证。基于SHMS和现场实测开展了典型台风作用下大跨度桥梁抖振现场实测研究，分析了台风全过程主梁、主缆、拉索等主要受风构件的振动特性及其演化规律，据此对现有抖振分析理论、风洞试验技术以及现行桥梁抗风规范的准确性和可靠性进行了检验，并提出了精细化改进方案。对R. H. Scanlan的平均风分解法进行改进，首次创建了一套斜风作用下大跨度桥梁抖振响应的非线性时域分析方法，解决了斜风分析方法仅限于频域、很多非线性特性无法体现的问题，并对其可靠性进行了实测验证。编制了专用程序实现了由实测风数据的输入直接得到结构响应输出。.（3）基于多尺度理论的大跨度桥梁抖振响应精细分析方法。将多尺度理论引入到桥梁抖振分析中，建立了一套正/斜风作用下大跨度桥梁抖振响应非线性时域分析的精细方法，并采用SHMS监测数据对该分析方法进行验证，实现了抖振数值计算与现场实测结果在局部尺度上的对比，为大跨度桥梁风致抖振分析提供了有效手段。与现有的获得抖振精细响应的方法相比，多尺度技术的引入大大提高了分析的效率和分析结果的精度。.（4）工程应用研究。利用上述成果，开展大跨度缆索支承桥梁强/台风作用机理研究，并应用于国家重点工程。