桥梁风工程研究的新进展

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1、第八届全国振动理论及应用学术会议论文集，大会报告，上海，2003 年 11 月 桥梁风工程研究的新进展 桥梁风工程研究的新进展 项海帆 （同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系, 上海，200092） 摘摘 要： 要： 主要介绍同济大学土木工程防灾国家重点实验室在桥梁风工程研究中的几个关键问题：气动参 数识别，非线性颤、抖振分析，桥梁数值风洞，颤振概率评价以及等效风荷载等方面研究的新进展。这些成 果已在许多大跨度桥梁，如江阴长江大桥、润扬长江大桥，南京长江二桥、苏通大桥以及南京长江三桥中得 到应用，显示出理论意义和实用价值。 关键词： 关键词： 桥梁风工程；颤振；抖振；风荷载 Adva

2、nces in Researches on Bridge Wind Engineering XIANG Hai-fan （Department of Bridge Engineering，Tongji University，200092 Shanghai） Abstract: Some new developments on aerodynamics of long-span bridges are introduced, which are based on the research project carried out at the State Key Laboratory for Di

3、saster Reduction in Civil Engineering (SKLDRCE) at Tongji University financially supported by the National Science Foundation. The research achievements related to the identification of aerodynamic parameters, nonlinear flutter and buffeting analysis, establishment of numerical wind tunnel, probabil

4、istic evaluation of flutter instability and theory of equivalent wind loading have been applied in several long-span bridges in China finished or in design stage in recent years, such as Jianyin Bridge over Yangtse River, Runyang Bridge over Yangtse River and Sutong Bridge over Yangtse River etc. ke

5、y words: Bridge wind engineering，Flutter，Buffeting，Wind loading 基金资助：国家自然科学基金重大项目（编号：59895410） 作者简介：项海帆（1936） ，男，教授，杭州人，中国工程院院士 1 1 引言引言 随着桥梁桥梁跨径的长大化，桥梁的抗风设计已成为主要的因素之一。同济大学土木工程防灾 国家重点实验室在国家自然科学基金重大项目（No.59895410-4.2）资助下进行的题为“特大跨度桥 梁的气动参数识别、风振及控制理论”的专题研究工作, 主要目标为： 1) 建立桥梁主梁断面的颤振导数和气动导纳的识别方法； 2) 建立大跨径

6、桥梁的颤振时域分析方法和抖振时域分析方法； 3) 斜拉桥斜拉索振动机理及其拉索振动抑制方法的研究； 4) 大跨径桥梁的颤振稳定性概率评价和风振疲劳可靠性分析方法的研究； 5) 提高大跨径桥梁的颤振稳定性的气动措施的机理研究； 6) 建立大跨桥梁的风荷载理论。 经过四年的努力，我们已经取得了初步的成果，并将这些成果应用于多座大跨桥梁的抗风设计 中。本文将介绍我们所取得的其中几项主要研究进展。 2 桥梁主梁断面气动参数的识别方法研究桥梁主梁断面气动参数的识别方法研究 1999 以前，我们采用最常用的节段模型和自由振动测试方法进行颤振导数的识别，提出了桥梁 颤振颤振导数识别的总体最小二乘法。该方法用

7、交叉迭代的方式对竖向和扭转响应时程曲线进行非 线性-线性总体最小二乘拟合，并用该方法识别出了与竖向和扭转位移有关的 8 个颤振导数。 为了反映大跨度桥侧向位移的影响，我们在两自由度体系的 MITD 法和总体最小二乘法基础上， 发展了用于识别全部 18 个颤振导数的总体最小二乘法，有效地提高了程序抗噪声的能力和识别精 度。图 1 为给出了一个箱形断面的 18 个颤振导数的试验结果与计算流体力学方法结果以及准定常 解的比较。 02468101214 -4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 H1* U/Bn CFD方法 两自由度试验结

8、果 三自由度试验结果 0246810 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 H2* U/Bn CFD方法 两自由度试验结果 三自由度试验结果 0246810 -5 -4 -3 -2 -1 0 H3* U/Bn CFD方法 两自由度试验结果 三自由度试验结果 02468101214 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 H4* U/Bn CFD方法 两自由度试验结果 三自由度试验结果 0246810121416 -5.0 -4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 H5* U/Bn

9、 CFD方法 三自由度试验结果 0246810121416 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 H6* U/Bn CFD方法 三自由度试验结果 注：图中直线为 Theodorsen 理论解 图中虚线为准定常理论估算公式结果 图图 1 a)颤振导数颤振导数H * i （i=1、26） Fig.1a) Flutter derivatives H （i=1、26） * i 2 02468101214 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3

10、 A1* U/Bn CFD方法 两自由度试验结果 三自由度试验结果 0246810 -0.35 -0.30 -0.25 -0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00 A2* U/Bn CFD方法 两自由度试验结果 三自由度试验结果 0246810 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 A3* U/Bn CFD方法 两自由度试验结果 三自由度试验结果 02468101214 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 A4* U/Bn CFD方法 两自由度试验结果 三自由度试验结果 0246810121416 -1.4 -1.2 -1.

11、0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 A5* U/Bn CFD方法 三自由度试验结果 0246810121416 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 A6* U/Bn CFD方法 三自由度试验结果 注：图中直线为 Theodorsen 理论解 图中虚线为准定常理论估算公式结果 图 1 b)颤振导数A * i （i=1、26） Fig .1b) Flutter derivatives A * i （i=1、26） 02468101214 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 P1* U/

12、Bn CFD方法 三自由度试验结果 0246810 -0.12 -0.10 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 P2* U/Bn CFD方法 三自由度试验结果 0246810 -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 p3* U/Bn CFD方法 三自由度试验结果 02468101214 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 P4* U/Bn CFD方法 三自由度试验结果 0246810121416 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1

13、0.0 0.1 P5* U/Bn CFD方法 三自由度试验结果 0246810121416 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 P6* U/Bn CFD方法 三自由度试验结果 注：图中虚线为准定常理论估算公式结果 图 1 c)颤振导数P * i （i=1、26） Fig.1c) Flutter derivatives P * i （i=1、26） 目前，该项研究成果已在南京长江二桥、宜昌长江大桥、荆沙长江大桥、福建闽江大桥等多座 大跨桥梁的抗风研究中得到应用。应用表明：用自由振动进行气动导数测试的方法简单方便，但当 3 风洞风速接近颤振临界风速时，则颤振导数测量比较困难，

14、需要继续改进。 强迫振动法有试验稳定，数据重复性好，可测量的折减风速范围宽，交叉项导数与对角项导数 具有同等精度等一系列优点。为实现桥梁节段模型强迫振动风洞试验，在 2000 年我们研究开发了用 于三维颤振导数识别的强迫振动装置，通过变频器和交流电机，驱动和控制桥梁节段模型作常振幅、 常频率的稳态振动。频率无级可调，振幅分级可调，该系统正在调试中，希望能克服传统自由振动 法识别颤振导数的不足。 3 CFD 技术的应用及桥梁数值风洞的建立技术的应用及桥梁数值风洞的建立 计算机技术和计算流体动力学(CFD - Computational Fluid Dynamics)方法的发展给风工程研究提 供了

15、一种可能代替风洞实验的手段，即数值风洞。CFD 方法随着计算机技术的进步已逐渐进入工程 实用，十多年前诞生了计算风工程(CWE - Computational Wind Engineering)，这一年轻的研究领域发 展非常迅速。 在 1999 年我们采用在有限元法的基础上，采用 CFD 技术进行了桥梁断面气动参数的计算。 这种方法对流线型断有较好的精度，但是对有尖角的钝头断面，计算结果的误差还比较大，对差别 不大的情况的分辨率还不够高。 风工程所涉及的流动常常是高雷诺数的非定常分离流动，这种流动的最主要特征是流动分离与 旋涡运动，其基本结构之一是各种尺度的涡。由于近迹涡结构及其非定常演化过程

16、直接影响着物体 所受的流体动力，因此可以从近迹涡结构入手来讨论结构所受流体动力的内在机制。离散涡方法将 流体涡量场离散成有限数目的携带一定涡量并占有一定空间的粒子(涡元)， 通过在拉格朗日框架下 追踪粒子(涡元)的运动轨迹及其强度的变化(对应于流体对流与扩散过程)进行涡量场的求解，从而 达到模拟整个流场的目的。作为一种拉格朗日粒子方法的涡方法本质上具有自适应、无网格、无 数值扩散等特性。涡方法的这些特性使其在模拟高雷诺数非定常分离流动时相对于有网格方法有着 明显的优越性，特别适用于高雷诺数流动中涡量分布比较集中的情况，已成为高雷诺数下对 Navier-Stokes 方程进行数值模拟的一个重要手段。2000 年我们采用离散涡方法进行桥梁气动弹性 问题的计算，取得了比有限元法更为精确的结果。图 2 为苏通长江公路大桥主跨 1088m 斜拉桥方 案主梁截面在攻角为时的流场染色粒子分布和速度分布。 o 0 图 2 斜拉桥方案（1088 米）主梁截面在攻角为时的流场染色粒子分布和速度分布 o 0 Fig.2 Particle and velocity dist