桥梁断面非定常气动力的可叠加性研究

桥梁在空间脉动风场中的力学行为问题涉及到结构振动的自激力描述、脉动风引起的气动力描述两大方面。通过与航空学中薄机翼理论的对比可知，多年来桥梁颤抖振理论及气动导纳理论均沿用了机翼理论中的非定常气动力可叠加性。然而，非定常气动力可叠加性是否适合于钝体桥梁断面决定了颤抖振模型以及该模型中内嵌的气动导纳理论的合理性。本申请项目通过研究薄机翼非定常气动力的形成机理以及假设前提，再结合机翼非定常气动力理论中一些基本假定在桥梁风工程中的应用现状，讨论桥梁颤抖振理论以及气动导纳理论中多年来存在的问题、指出可能的解决途径，在研究思路上富有突破性地脱离长期以来的理论误区。在新研究思路的指导下，针对钝体桥梁断面展开一系列的试验研究并根据断面非定常气动力可叠加的程度进行合理分类。区别对待近似满足与不满足非定常气动力叠加原理的两种类型，在此基础上探讨相应的试验识别方法、气动导纳识别方法以及桥梁随机风振的颤抖振模型。

本项目针对大跨度桥梁非定常气动力的基本特性展开研究。主要研究内容涉及到桥梁的颤振稳定性、非线性后颤振时程理论、气动导纳的本质特性、悬索桥长吊杆的非线性风致共振等多项内容。主要研究成果包含以下几方面：（1）钝体桥梁的非定常气动力不具备有可叠加性，体现在气动自激力与抖振力不可叠加，以及各频率湍流成份对抖振力的贡献不可叠加。因此，传统意义下的气动导纳函数，即不依赖于风场特性的导纳函数对于钝体桥梁而言不存在。我们在桥梁风工程中应用气动导纳函数时，必须注意试验中紊流场与实际情况的相似性；（2）提出了多阶段阶跃函数的桥梁后颤振分析理论，结束了采用单一颤振临界风速评价桥梁气动稳定性能的现状。后颤振理论方法的提出，使得我们有能力对结构颤振后极限环振幅随风速的演变进行计算，这一理论的提出，使得今后有途径对桥梁抗风稳定的强健性进行评估与改善；（3）首次提出，并在试验室里再现了桥梁主结构随机抖振引起长吊杆内共振这一概念。这一概念的提出，成功地解释了困惑国际风工程领域长达十多年的长吊杆风振现象。这类长吊杆的大幅风振，多次在大带东桥与我国西堠门大桥上出现。对这一现象本质的认识，有助于有效减振措施的提出；（4）从理论解决了桥梁涡激共振节段模型与原型桥梁的振幅转换关系，弥补了国内、国际上各规范的不足；