超大跨径斜拉桥在强风作用下，风荷载引起的主梁大位移和附加攻角所带来的结构几何非线性及气动力非线性效应对颤振形态的影响及强风－桥相互作用的荷载效应，目前的研究不是十分明确。本项目摒弃线性气动力模型假设，综合应用计算流体动力学方法和计算结构力学方法并有效处理两者的耦合策略，针对强风环境下超大跨度斜拉桥的颤振形态进行全过程数字模拟。真实反映反映大幅振动与强风之间瞬态的非定常耦合作用及结构非线性变形和流动本身固有的三维特性对颤振形态的影响，明晰整体结构的宏观表现（位移及气动力）及与振动同步的瞬时流态的联系以揭示其相互作用机理。 2100433B

随着世界经济和交通事业的蓬勃发展，越来越多的跨海大桥在建或将建。进入新世纪后，我国特大桥梁建设成就举世瞩目，在全世界最大跨度前10名特大缆索承重桥中，悬索桥占5座、斜拉桥占7座，面对特大桥梁建设的国家需求和桥梁抗风研究的科学使命，研究团队开展创新工作迫在眉前。桥梁颤振是桥梁抗风的重要研究内容之一，而颤振发生机理是桥梁颤振的重中之重。目前对桥梁典型断面的颤振机理研究较少，且对其颤振后状态分支跳转的发生机理研究尤为空白。因此开展对桥梁典型断面的气动性能演化规律及其机理研究、特别颤振后状态分支跳转发生机理的研究工作尤为重要。本课题旨在遵循试验-理论分析，并着眼于实际工程应用的研究思路，拟采用实验室试验、数值模拟等手段，通过桁架主梁断面、分离双箱梁、闭口箱梁以及流线型平板等典型断面的风洞试验，并采用计算流体软件对颤振后状态的数值模拟，以建立一种新的颤振机理研究理论，对其进行较为深入的研究。

缆索的局部振动对斜拉桥颤振特性的影响程度和影响机理，是大跨径斜拉桥颤振考察不可回避的问题。处于风场中的缆索，作为张力弦局部振动的理论计算和风洞实验模拟一直是桥梁风工程难以解决的问题。本项目引入了缆索的多链杆模型，计入几何刚度，建立可反映缆索局部振动的缆索模型。采用线性阻尼模拟结构主要振型的阻尼，针对不同建筑材料的桥梁实现全桥结构阻尼的有限元模拟。利用全桥三维颤振分析的通用有限元程序方法，考察主跨600m级跨径斜拉桥、主跨1000m级跨径斜拉桥、主跨2x600m级三塔斜拉桥的动力特性和颤振特性，以及缆索局部振动对动力特性和颤振特性的影响。 对于主跨600m级跨径的斜拉桥，缆索局部振动对全桥动力特性有明显影响，大量缆索局部振动模态出现在全桥主要模态中，一阶和二阶缆索正弦半波以索面同相位振动出现在全桥整体模态中。缆索局部振动对动力特性的固有频率有一定幅度的影响。对于不同的主要模态，幅度达1-10%。颤振临界风速对固有频率的敏感性体现在小幅的固有频率的改变将导致较大的颤振临界风速的变化。全桥的三维颤振分析揭示了缆索局部振动对600m级跨径桥梁的颤振特性有显著的影响。计入缆索局部振动可使主跨600m级跨径斜拉桥颤振临界风速提高超过20%。颤振形态中缆索主要出现的是一阶正弦半波的局部振动。影响机理表现为缆索局部振动通过改变全桥整体振动的频率和局部振动振型参与的气动弹性作用对桥梁整体颤振临界状态产生影响。 通过对主跨1000m级跨径双塔斜拉桥的计算，发现桥梁整体固有模态中出现了较多高阶正弦半波的缆索局部振动。颤振形态中有二阶正弦半波缆索局部振动出现。同时颤振分析的迭代计算中模态的跟踪很困难，特征值的提取亦较困难，须要反复更改频率搜索范围，才能得到结果，且不能排除特征值遗漏情形。对于主跨2x600m级的三塔斜拉桥，固有模态和颤振模态相对于双塔斜拉桥呈现出不同的特征，颤振形态为反对称扭转为主。在此基础上，构造了边中塔高比作为影响因素的不同的工况，籍以反映边中塔高比在斜拉桥立面方案设计中的合理变化范围，并保持双主跨跨径不变。对此模型系列进行计算，讨论了三塔斜拉桥边中塔高比对桥梁动力特性以及颤振特性的影响。 探讨了通过风洞试验模拟缆索局部振动对颤振特性影响的技术途径，认为在现有风洞试验条件下，全桥风洞试验在模拟全桥整体动力特性的时候，很难同时模拟缆索的张力和质量分布，张力模拟和质量 2100433B

大跨度桥梁的颤振分析是抗风设计的主要依据，而风场模拟和颤振导数识别是进行颤振分析的两个前提条件。本项目在国家自然科学基金(512080155)资助下，进行了颤振分析、颤振导数识别以及风场模拟三个方面的工作。主要内容包括：研究了三种不同相干函数条件下模拟脉动风的统计特征变化规律，对比分析了三种风场模拟程序(谐波合成法、线性滤波法和特征正交分解法)的计算效率，研究结果表明：采用修正的指数表达式相干函数模拟的脉动风具有负相关性，同时能较好解决谱密度矩阵不正定的问题；谐波合成法较为适合桥梁结构的脉动风场模拟。提出了识别颤振导数的思路简单、适用性更广的小波识别法；改进了识别颤振导数的随机子空间法；编制了两种方法的计算程序，并通过算例分析验证了这些方法的有效性。发展了大跨度桥梁结构气动耦合颤振的双模态和多模态分析方法，对几座典型桥梁结构进行了耦合颤振分析，通过不同方法分析结果与精确解或试验结果之间的比较，验证了其有效性。提出了另一种修正的分步分析法，与Matsumoto提出的修正分步分析法相比，物理意义更明确；利用其对几种典型桥梁断面的颤振机理进行了深入的研究，同时首次探索性地解释了颤振后状态颤振分支跳转的原因。 2100433B