大跨度分离双箱梁桥分布涡激力模型与涡振应力分析

Vortex-induced vibration (VIV) is an important form of wind-induced vibrations for long-span bridges. VIV can occur at low wind speeds and frequent occurrences of VIV can cause fatigue damage in important components of the bridges. Traditional VIV analysis methods use the 2-D vortex-induced forces (VIFs) acquired from section model tests and apply these VIFs on beam-element models of the bridges. These methods neglected the non-uniform distribution of the VIFs on the deck section and cannot be applied on detailed finite element models. The stress responses obtained by these methods are therefore inaccurate. This project aims to propose a VIV analysis method that considers the distribution of the VIFs on the twin-box deck section, which is particularly vulnerable to VIV. The proposed method also employs detailed multi-scale models of the bridges so that the vortex-induced fatigue analysis will be more accurate.

涡激共振是大跨度桥梁典型风致振动的一种。由于涡振可以在较低风速下发生，频繁的涡激将影响桥梁的疲劳寿命和使用安全。现有的大跨度桥梁涡振分析主要通过节段模型试验识别得到二维的涡激力，再将二维涡激力施加到杆系单元组成的有限元模型上。这样的分析方法忽略了涡激力在桥梁断面上的不均匀分布，也无法应用于考虑局部精细化模型的有限元模型，应力响应的计算精度无法保证。本项目的目标是提出一种考虑分布涡激力作用的大跨度桥梁涡振应力分析框架。以涡振问题特别突出的分离双箱断面为研究对象识别涡激力在分离双箱断面上的分布; 建立结合分布涡激力模型和大跨度钢箱梁桥多尺度有限元模型的桥梁涡激应力分析方法。本项目拟建立的考虑分布涡激力作用的大跨度桥梁涡振应力响应分析方法可以更精确地预测涡振下桥梁的应力响应和疲劳寿命，对未来大跨度分离双箱梁桥的前期设计提供指导。

涡激共振是大跨度桥梁典型风致振动的一种，由于其可以在较低风速下发生，频繁的涡激共振将影响桥梁的疲劳寿命和使用安全。现有的大跨度桥梁涡激力模型都是基于按截面集中的涡激力，无法考虑涡激压力在截面上的分布，可能影响计算得到的涡振应力响应的精度。为此，本项目提出了一套能考虑涡激力分布的大跨度桥梁涡振应力分析框架。首先，提出了一种弹簧悬挂模型同步测力测振测压风洞试验方法，实现在发生涡激共振的大比例节段模型上同步获取位移响应、涡激力和涡激压力。随后，基于对涡振压力分布特性的分析，提出了一种基于压力本征正交分解（POD）的半经验涡激力分布模型，并以涡激共振问题较为突出的分离双箱断面为研究对象，通过对试验得到涡激压力分布进行POD，再对POD前几阶模态坐标进行建模和参数识别，实现用较少的参数描述断面涡激力分布。然后，提出了一直结合多尺度有限元建模和涡振时程分析的能考虑涡激力分布的涡振应力分析方法。最后，还提出了一种能考虑来流紊流影响的涡激力模型，并将其引入全桥涡振响应分析，分析了紊流对涡振响应的影响。.本项目的研究结果显示：涡激压力存在显著的多阶倍频分量，具有非线性特性，不同位置的压力频谱特性有非常大的差别；为涡激共振提供负阻尼的基频分量压力主要集中在下游箱梁的迎风侧下部，以及背风侧上部，为涡激共振自限幅现象提供正阻尼的三倍频压力分量主要集中在下游箱梁的迎风侧；涡激压力前3阶POD模态就贡献了超过95%的能量。因此，采用本项目提出的涡激力分布模型一共只需要6个参数就可以较好地反映断面的涡激力分布；涡振应力功率谱中，基频成分占绝对主导地位，三次倍频成分比基频成分小两个数量级以上，其他高次倍频成分都可以忽略不计，顺桥向应力的分布基本关于主梁的中性轴对称，说明涡振应力响应主要是有主梁竖向模态的振动引起的，应力分布和压力分布的关系不大；来流紊流对分离双箱断面涡振响应影响明显，6%的紊流度可以使涡振振幅降低超过一半。