重大建筑与桥梁强台风灾变关键效应精细化研究

This proposal bases on strong/typhoon wind hazard evolution of super-long-span bridges, super-high-rise buildings and super-large spatial structures, and tries to solve the scientific problems including non-stationary and non-steady time and space characteristics of strong/typhoon wind field and related theoretical models of aerodynamic forces, non-linear dynamic hazard evolution law and whole process numerical simulation and verification, and failure mechanism and control principle of wind induced dynamic hazard evolution. With the combination method of theoretical analysis, physical experiment, numerical simulation and site measurement, this proposal covers the research on databases and simulation models of strong/typhoon wind time and space characteristics, mathematical models and experimental identification of structural aerodynamic forces, CFD numerical identification and its high Reynolds number effects of three-dimentional aerodynamic forces, refined numerical simulation and software of wind induced effects on structures, multi-scale model testings and site measurements verification of wind induced vibration of structures, and wind induced hazard evolution mechanism and control measures. The aim of this proposal is to develop and integrate the system of theoretical analysis, numerical simulation, physical experiment and site measurement with independent intellectual property rights, and to form the integrated simulation system of strong/typhoon wind induced dynamic hazard evolution of major structures and bridges. The final goal of this proposal is to achieve significant jump and theroretical sublime in whole process analysis of wind induced hazard evolution of major structures and bridges, to advance the original innovation ability in hazard prevention and reduction research of China, and to scientifically support safe.construction and smooth operation of super-large-scale structures and bridges in China.

针对超大跨桥梁、超高层建筑和超大空间结构在强/台风作用下的动力灾变，重点突破强/台风场非平稳和非定常时空特性及其气动力理论模型、结构非线性动力灾变演化规律与全过程数值模拟及其验证、风致动力灾变的失效机理与控制原理等关键科学问题；采用理论分析、物理实验、数值模拟和现场实测相结合的方法，开展强/台风场时空特性数据库和模拟模型、结构气动力数学模型与物理实验识别、三维气动力CFD 数值识别与高雷诺数效应、结构风致振动多尺度物理模拟与实测验证、结构风致灾变机理与控制措施等研究工作；研发并集成具有自主知识产权的理论分析、数值模拟、物理试验和现场实测系统，形成重大建筑与桥梁强/台风动力灾变模拟集成系统；最终实现重大工程风致灾变全过程分析的重点跨越和理论升华，提升我国防灾减灾基础研究的原始创新能力，为保障我国超大尺度重大工程的安全建设和正常运行提供科学支撑。

本项目从重大工程国家需求出发，开展六项研究工作，即强/台风场时空特性数据库和模拟模型、气动力数学模型与物理实验识别、三维气动力CFD数值识别与高雷诺数效应、结构风效应全过程精细化数值模拟方法与软件、结构风致振动多尺度物理模拟雨实测验证和结构风致灾变机理与控制措施，最终解决重大工程安全问题，获得如下几个方面的研究进展：(1)提出具有工程台风意义的台风场精细化预测模型，实现了水平分辨率200m、时间分辨率10min的近地面台风精细风场模拟；收集1600多个影响我国的台风资料，并建立了工程台风Monte Carlo 随机数值模拟平台。(2)研制了多风扇主动控制风洞，建立了用于多分量气动导纳识别以及考虑特征紊流效应的非定常抖振频域分析理论；建立了箱梁非线性竖向和扭转涡激力的数学模型；基于缩阶微分方法进一步提出了非线性、非定常颤振力和涡振力模型及其模型参数实验拟合方法；提出聚类分析算法自动快速识别大跨度桥梁主梁涡激振动方法。(3)提出了大跨度斜拉桥斜拉索风雨激振多相多尺度模型和数值雨模型，实现了斜拉索风雨激振多相多尺度高效高精度数值模拟，揭示了斜拉索风雨激振机理。(4)完成100多个超高层建筑模型在四类地貌条件下的测力\压\阻尼的模型风洞试验，开展了超高层建筑风致效应的多尺度研究（现场实测、风洞试验与数值模拟）；导出三维耦合风力数学模型；提出湍流来流边界条件自保持的新方法；提岀了新的大涡模拟亚格子模型及入口湍流流场产生的新方法和模拟平衡大气边界层的通用方法,实现了对大型建筑结构风效应全尺寸高雷诺数数值模拟。(5)基于系列气弹模型风洞试验，揭示了柔性屋盖的气弹失稳机理，建立了考虑气弹失稳的膜结构抗风设计方法；系统开展了柱面屋盖雷诺数效应风洞试验研究，揭示了壁面边界、三维绕流、来流湍流度和表面粗糙度等因素对柱面屋盖雷诺数效应的影响规律；提出了考虑认知不确定性的结构风效应概率模型，建立了风速和风效应样本数与结构风效应变异系数的关系。(6)系统研发了结构风效应全过程精细化数值模拟平台，可以有效模拟二/三维结构风效应全过程流固耦合效应和全过程气动力效应。(7)揭示了结构风致灾变机理和控制原理，集成了多种控制措施库（包括中央开槽、中央稳定板、检修轨道移位、水平分隔板、导流板、风嘴、MTMD、电涡流调谐质量阻尼器、吹吸气流动控制、栏杆倒角、风嘴、风障、导流板、隔涡板和稳定板等）。