大跨度桥梁的非定常气动力数学模型与抖振研究

在桥梁节段模型刚体测压模型风洞试验结果中发现，桥梁主梁节段的气动抖振力与来流脉动的相关性并不是很强，可见现有的线性定常气动抖振力数学模型有较大的局限性。基于运动当量假设，桥梁主梁断面气动自激力的非定常性则从另外角度反映了桥梁抖振力所具有的非定常特性。鉴于现有准定常的线性气动抖振力模型所存在的局限性，本课题提出一种桥梁断面的非定常气动抖振力数学模型，建立大跨度桥梁新的抖振理论体系和分析方法。在将紊流的脉动当量为桥面自身运动的假设前提下，通过桥梁节段模型风洞试验提取非定常抖振力的气动参数。在该桥梁抖振理论分析方法中，综合考虑桥梁主梁断面气动自激力和气动抖振力的非定常特性，抖振分析时不需要考虑气动导纳。基于桥梁主梁断面节段模型风洞试验和CFD数值分析结果，对非定常气动抖振力数学模型和桥梁抖振分析方法的可靠性和适用性进行验证。本课题研究成果对大跨度桥梁抗风设计理论的发展具重要的的理论和实际意义。

尽管风洞试验发现了桥梁主梁断面的气动抖振力具有较强的非定常性，但是直至目前为止尚无学者开展桥梁断面非定常抖振力方面的研究。鉴于现有准定常的线性气动抖振力模型所存在的局限性，本课题从全新的角度首次尝试地开展了桥梁断面非定常抖振力方面的研究。基于紊流脉动与桥面自身运动的当量假设，参照桥梁主梁断面非定常的气动自激力形式，提出了一种用阶跃函数表示的桥梁主梁断面非定常气动抖振力数学模型。结合主梁节段模型测力试验和测振试验结果，提出了大跨度桥梁断面非定常抖振力气动参数的风洞试验测试技术和识别方法。以理想薄平板断面作为数值算例，根据理想薄平板断面的颤振导数拟合了理想薄平板断面非定常抖振力的气动参数，对本文识别方法进行了验证。在将紊流的脉动当量为桥面自身运动的假设前提下，发展了能考虑非定常气动抖振力特性的大跨度桥梁随机耦合抖振响应分析方法，并编制相应的计算机分析软件。以南京长江三桥为例，用改进的谐波合成方法模拟了大跨度桥梁结构的随机风场，用大跨度桥梁结构非定常抖振响应分析方法对桥梁最大单悬臂状态抖振问题进行了研究。将桥梁结构抖振分析结果与全桥气弹模型风洞试验结果进行了对比，验证了该桥梁抖振分析方法的可靠性和适用性。分析结果表明，按非定常气动抖振力特性的桥梁结构抖振响应分析得出了更加合理的计算结果。在桥梁结构非定常抖振理论分析方法中，由于综合考虑了桥梁主梁断面气动抖振力的非定常特性，因此桥梁抖振分析时不再需要考虑气动导纳。本课题研究成果对大跨度桥梁抗风设计理论的发展具重要的的理论和实际意义。