波浪型斜拉索涡致耦合振动与流动控制机理研究

现代桥梁结构越来越往长、细、轻、柔与低阻尼方向发展，斜拉索在风雨载荷作用下的多相耦合效应日益突出。探索斜拉索涡致耦合振动机理及寻求有效的振动控制措施正受到极大的关注。本项目针对目前改变斜拉索表面形状来抑制斜拉索由风雨载荷引起的振动所遇到的"瓶颈"与难点，提出采用波浪型改形表面进行流动控制以获得抗风减振的方法，将系统的研究： 1）不同波幅波长参数对波浪型斜拉索涡致耦合振动及频率"锁定"现象的影响规律；2）不同排列波浪型斜拉索群的气动干扰效应及其对振动响应的影响；3）特定波幅波长参数下波浪型斜拉索的风雨激振抑制机理。我们将建立波浪型大跨度斜拉索在非均匀来流下的涡激耦合振动响应模型，数值和实验研究波浪型斜拉索涡致耦合动力问题并揭示其流动控制机理，为大跨度斜拉索的失效模式和安全评估准则的研究及灾害防治对策的制定提供相应的理论基础和技术支持。

随着斜拉桥跨度的增大，拉索的风致振动问题已经成为世界桥梁抗风研究领域的重点研究课题，针对目前斜拉索由风雨载荷引起的振动所遇到的问题，我们提出了一种新型的可抗风减振的三维波浪型斜拉索结构，深入系统的研究了该三维波浪型斜拉索（群）涡致耦合振动动力学问题并详细的探索了其流动控制机理。首先，我们建立了适应于预测波浪型斜拉索结构的涡致耦合振动响应特性的新三维数值计算模型，并实验验证了计算模型的正确性。在此基础上，针对三维波浪型斜拉索涡致耦合振动响应及频率“锁定”现象、三维波浪型斜拉索群的气动干扰效应及其尾流驰振现象以及三维波浪型斜拉索结构风雨激振等方面展开了数值及实验研究。研究结果表明：① 可通过适当波长波幅的三维波浪型斜拉索改变或抑制拉索涡致振动时“锁定”或“拍频”现象，控制流动分离以实现降低风阻、减振或抑振目的。三维波浪型斜拉索涡致振动响应与拉索三维表面形状具有强烈的相关性，研究首次发现三维表面形状波幅参数a/Dm是抑制涡致耦合振动有效的控制参数，振动时其流动模态完全不同于静止绕流。我们明确了不同Re下波长波幅对三维波浪型斜拉索涡致耦合振动响应影响规律；② 某些波长波幅形状的波浪型斜拉索群，下游波浪型斜拉索振动振幅远远小于同工况下的串列直拉索下游振动振幅，其尾流驰振现象被明显抑制了。我们探明了三维波浪型斜拉索群尾流驰振抑制物理机制，波浪型拉索表面三维形状，间距比，Re等对串列双波浪型斜拉索涡致耦合振动响应产生耦合的影响，一方面上游斜拉索发展了十分稳定的后尾迹，对下游拉索起完全屏蔽作用（间距比小于10时），另一方面随着拉索表面三维形状波幅a/Dm的增加，其流体三维特性逐渐增强，对抑制拉索群的尾流驰振带来了十分有益的影响；③ 拉索的三维波浪形状对水线的形成及其运动特征具有明显的影响，选择适当的波长波幅形状能破坏上水线的形成，可有效的抑制拉索的风雨激振。