大跨度桥梁主梁结构涡激力展向相关性试验研究

我国大跨度钢桥越来越多，研究与防止涡激振动已成为我国大跨度桥梁抗风设计的关键问题之一。目前大跨度桥梁主梁结构涡激振动主要通过节段模型风洞试验检验，而理论分析方法仅停留在二维模型阶段，三维理论分析近乎空白，从而无法准确预测涡振振幅。本项目从涡振具有三维空间特性的实际出发，重点研究展向间距、振型及紊流度对典型桥梁主梁断面涡激力展向相关性的影响。结合二维涡激力模型建立相应的气动参数识别方法；对闭口钝体、流线型主梁断面分别进行节段模型涡激力气动参数识别和涡激力展向相关性研究；在此基础上设计简支主梁结构气弹模型，研究展向间距、振型对涡激力展向相关性和涡振振幅的影响；在低紊流度条件下，研究展向间距、振型及紊流度对涡激力展向相关性和涡振振幅的影响。将主梁结构二维涡激力模型与涡激力展向相关性函数嵌入到结构有限元模型实现桥梁结构三维涡激振动响应分析，并以一实际桥梁气弹模型试验进行验证。

大跨桥梁结构具有频率低、阻尼低等特点，主梁结构在风作用下易发生涡激振动，如Kessock桥、第二塞文桥、Rio-Niteroi桥、东京湾大桥、大海带东桥、伏尔加河大桥及西堠门大桥等均发生了涡激振动，研究与防止桥梁结构涡激振动已成为大跨度桥梁抗风设计的关键问题之一。本课题重点开展了桥梁结构二维涡激力模型气动参数识别方法、典型桥梁主梁断面涡激力展向相关性试验研究以及大跨度桥梁结构三维涡激振动响应有限元分析方法研究。主要研究成果：.（1）建立了主梁二维涡激力模型气动参数识别方法及程序. 分别针对Scanlan经验线性模型、经验非线性模型以及Larsen广义范德波振子模型进行涡激力模型气动参数识别研究，编写了涡激力模型气动参数识别程序。以闭口流线型主梁断面节段模型试验数据为基础，进行了不同涡激力模型气动参数识别，根据识别结果对主梁节段模型进行涡激振动响应计算，并与试验结果比较，从而验证了涡激力气动参数识别精度。.（2）研究了展向间距、振型对典型主梁断面涡激力展向相关性的影响. 首先进行了矩形断面主梁、闭口流线型断面主梁节段模型涡激力展向相关性风洞试验，研究了展向间距对这两类典型断面涡激力展向相关性的影响，获得了矩形断面主梁、闭口流线型断面主梁涡振锁定区内外涡激力展向相关系数变化规律。然后采用拉条模型试验进行涡激力展向相关性试验研究，研究了展向间距、振型对涡激力展向相关性的影响。.（3）建立了桥梁结构三维涡激振动响应有限元分析方法. 基于大型有限元结构分析软件ANSYS，结合桥梁主梁结构二维涡激力模型气动参数识别方法以及典型断面主梁涡激力展向相关性研究成果，暂不考虑展向间距对涡激力展向相关性影响，仅考虑振型的影响，建立了大跨度桥梁结构三维涡振响应有限元分析方法，并以矩形断面拉条模型试验为例进行了验证。. 本课题研究成果对于大跨桥梁结构涡激振动响应计算具有重要的参考意义。