大跨度钢箱梁悬索桥的高阶竖弯模态涡激共振幅值预测方法

Multi-mode vertical vortex-induced vibration (VIV) has been observed on several steel box-girder suspension bridges. It is understood that the vibration modes with frequency less than 0.6Hz may suffer from VIV at wind velocity below 25m/s, a threshold velocity for bridges open to public/traffic. Due to the fact that theare exits a number of modes with frequerncy less than 0.6Hz for long-span suspension bridges and that the acceleration increase with modal frequency for modes with the same VIV amplitudes, predicting the VIV amplitudes for higher-order modes and defining the allowable amplitudes are key issues for safe service of long-span suspension bridges and are worthy of further study. The VIV amplitude is related to Strouhal number and dynamic lift coefficients of box girder cross-sections, structural modal mass and damping ratio, as well as the span-wise correlations of dynamic lift forces. The traditional secitonal model wind tunnel tests fails to .meet the requirements of the invstigation of higher-order VIV. In this study, a new type of aeroelastic models elastically supported at multiple span-wise locations and especially suitable for studying the VIV of higher-order modes is developed. In combination with theoretical analysis, CFD numerical simulation, and the avaiable field measurement data of VIV, the developed aeroelastic model will be used to explore the effects of above influential parameters on different vibration modes. Based on detailed study, method for predicting the VIV amplitude of higher-order modes for box-girder suspension brdiges and the corresponding wind tunnel technqiues will be finaly formulated and the present study will also shed light on the criteria on suitable definition of allowbable amplitude of VIV.

已有多座大跨度钢箱梁悬索桥发现多阶竖向模态涡激共振病害。分析表明，钢箱梁悬索桥频率在0.6Hz以下模态的涡振起振风速都会低于桥上允许行车风速（25m/s）。由于大跨度悬索桥0.6Hz下存在多阶竖弯模态，且相同振幅下振动加速度按频率的平方增大，因此高阶竖弯模态的涡振振幅预测以及振幅限值等问题是大跨度悬索桥服役安全必须解决的关键技术问题。涡振振幅与断面的斯托罗哈数St、涡激力系数、结构模态质量和阻尼比、以及涡激力跨向相关性等参数有关。传统的节段模型风洞试验手段难以满足高阶模态涡振研究要求，本项目开发一种新的特别适合悬索桥高阶模态涡振研究的多点弹性支撑气弹模型风洞试验技术，并综合运用理论分析、节段模型试验、CFD模拟技术和已有的涡振实测数据，深入探讨上述参数对不同模态涡振的影响。在此基础上建立一套钢箱梁悬索桥高阶竖弯模态涡激共振振幅的预测方法和风洞试验技术，并为振幅限值的取值提供依据。

已有多座大跨度钢箱梁悬索桥发现高阶竖向模态涡激共振病害，包括我国主跨1650m的西堠门大桥以及丹麦主跨1624m的大带东桥。过大的振幅引起钢箱梁疲劳及行车舒适性，悬索桥的涡激共振病害已成为悬索桥跨径增加的制约因素。本项目对大跨度钢箱梁悬索桥的高阶模态涡激共振振幅预测进行了理论与试验研究。本项目的工作如下：（1）开发了一种多点弹性支撑连续梁气弹模型及设计方法，结果表明这一模型可以模拟出悬索桥高达10阶的竖弯模态，因此特别适合研究钢箱梁悬索桥的高阶模态涡振动问题；（2）进行了多点弹性支撑连续梁气弹模型风洞试验技术，直接在风洞中测量得到前9阶竖弯模态的涡激共振风速区间及最大振幅。试验结果表明，在相同的质量阻尼参数下，悬索桥的竖弯涡振振幅不随模态阶数增加而减小，而是略有增加。因此研究高阶模态的涡振更具有意义；（3）针对气弹模型的高阶竖弯涡振模态，进行了节段模型与气弹模型的1:1对比风洞试验，试验时节段模型弹性悬挂系统的竖弯振动频率与气弹模型高阶模态相等，进行了4种竖向振动频率下的涡振风洞试验，结果表明，在相同质量阻尼参数下，气弹模型的最大涡振振幅比节段模型大30%左右，而与振动频率基本无关。（4）进行了不同缩尺比下的矩形节段模型试验的涡振试验以研究模型缩尺效应及产生的作用机理，结果表明在相同的模型长度下，大比例模型的涡振试验结果仅为小比例模型结果的50%。模型的端部效应对涡振试验结果有显著影响，试验时必须保证足够大的模型长宽比。（5）对涡振振幅取值进行了研究。.本项目创造性的提出了一种多点弹性支撑连续梁气弹模型及设计方法，为钢箱梁悬索桥高阶模态涡激共振研究的提供了有效试验手段；节段模型涡振试验中忽略了振型效应，其结果比气弹模型要小30%左右，这一结果具有重要意义，节段模型可能得到偏于危险的结果，这与几座大型桥梁的观测结果也是一致的。