大跨桥梁结构具有频率低、阻尼低等特点，主梁结构在风作用下易发生涡激振动，如Kessock桥、第二塞文桥、Rio-Niteroi桥、东京湾大桥、大海带东桥、伏尔加河大桥及西堠门大桥等均发生了涡激振动，研究与防止桥梁结构涡激振动已成为大跨度桥梁抗风设计的关键问题之一。本课题重点开展了桥梁结构二维涡激力模型气动参数识别方法、典型桥梁主梁断面涡激力展向相关性试验研究以及大跨度桥梁结构三维涡激振动响应有限元分析方法研究。主要研究成果： （1）建立了主梁二维涡激力模型气动参数识别方法及程序 分别针对Scanlan经验线性模型、经验非线性模型以及Larsen广义范德波振子模型进行涡激力模型气动参数识别研究，编写了涡激力模型气动参数识别程序。以闭口流线型主梁断面节段模型试验数据为基础，进行了不同涡激力模型气动参数识别，根据识别结果对主梁节段模型进行涡激振动响应计算，并与试验结果比较，从而验证了涡激力气动参数识别精度。 （2）研究了展向间距、振型对典型主梁断面涡激力展向相关性的影响 首先进行了矩形断面主梁、闭口流线型断面主梁节段模型涡激力展向相关性风洞试验，研究了展向间距对这两类典型断面涡激力展向相关性的影响，获得了矩形断面主梁、闭口流线型断面主梁涡振锁定区内外涡激力展向相关系数变化规律。然后采用拉条模型试验进行涡激力展向相关性试验研究，研究了展向间距、振型对涡激力展向相关性的影响。 （3）建立了桥梁结构三维涡激振动响应有限元分析方法 基于大型有限元结构分析软件ANSYS，结合桥梁主梁结构二维涡激力模型气动参数识别方法以及典型断面主梁涡激力展向相关性研究成果，暂不考虑展向间距对涡激力展向相关性影响，仅考虑振型的影响，建立了大跨度桥梁结构三维涡振响应有限元分析方法，并以矩形断面拉条模型试验为例进行了验证。 本课题研究成果对于大跨桥梁结构涡激振动响应计算具有重要的参考意义。 2100433B

我国大跨度钢桥越来越多，研究与防止涡激振动已成为我国大跨度桥梁抗风设计的关键问题之一。目前大跨度桥梁主梁结构涡激振动主要通过节段模型风洞试验检验，而理论分析方法仅停留在二维模型阶段，三维理论分析近乎空白，从而无法准确预测涡振振幅。本项目从涡振具有三维空间特性的实际出发，重点研究展向间距、振型及紊流度对典型桥梁主梁断面涡激力展向相关性的影响。结合二维涡激力模型建立相应的气动参数识别方法；对闭口钝体、流线型主梁断面分别进行节段模型涡激力气动参数识别和涡激力展向相关性研究；在此基础上设计简支主梁结构气弹模型，研究展向间距、振型对涡激力展向相关性和涡振振幅的影响；在低紊流度条件下，研究展向间距、振型及紊流度对涡激力展向相关性和涡振振幅的影响。将主梁结构二维涡激力模型与涡激力展向相关性函数嵌入到结构有限元模型实现桥梁结构三维涡激振动响应分析，并以一实际桥梁气弹模型试验进行验证。

对于实际大跨度桥梁主梁而言，涡激振动属于沿跨向的三维问题，除振型的影响外，涡激气动力沿跨向是非完全相关的(或称其为偏相关)。现行的、基于模型风洞试验或现场实测建立的涡激力半经验模型大多基于二维理论，极少考虑涡激气动力的偏相关，从而导致节段模型试验结果直接拓展到全桥时存在较大误差，进而造成对桥梁结构抗风性能的误判。课题分别基于Scanlan涡激力经验线性及非线性经验模型，在引入可能影响涡激力相关性参数的基础上，在频域内研究了涡激力沿跨向的相关性。通过Fourier变换及Duhamel积分等数学原理得到二维力谱到三维广义力谱的转换关系，定义了二维与原型桥梁涡振响应之间的折减系数，给出了将节段模型涡振试验结果应用到原型桥梁的具体理论方法，并给出了涡激力经验模型中待识别参数的修正方法。通过节段模型表面测压试验研究了涡激力沿跨向的相关性，并拟合得到相关函数。最后，通过节段模型风洞试验、全桥气弹模型风洞试验以及现场实测资料很好地验证了本文的理论。 2100433B

大跨度桥梁的主梁涡激振动问题是沿跨向的三维问题。由于对涡激力的跨向相关性的认识和考虑不充分，在利用节段模型（二维）试验结果估计实际桥梁结构(三维)的涡振性能时，往往会造成对大桥涡振性能的误判。. 本项目将在已取得的涡激力跨向相关性研究成果及大跨度桥梁三维涡振分析方法的基础上，采用自由振动与强迫振动相结合的方式，在涡振锁定区开展一系列箱梁节段模型表面测压及尾流测速试验，揭示涡激力跨向相关性影响机制，探明模型展高比变化对涡激力本身及其跨向相关性的影响规律；研究断面不同位置气动力及尾流涡脱对断面整体涡激力相关性的贡献；然后，以拉条模型试验结果为参考依据，多方法对比，寻找一种可通过常规试验手段获得涡激力跨向相关性的试验方法；最后，建立一种利用常规节段模型试验便可准确估计实桥各阶模态下涡振响应的三维涡激振动实用分析方法，并通过拉条模型风洞试验进行验证。

涡激振动致振风速较低，是钝体结构上常见的一种限幅振动，容易引发桥梁结构疲劳破坏、行车舒适性等问题。大跨度桥梁的主梁涡激振动问题是沿跨向的三维问题， 在利用节段模型试验结果估计实际桥梁的涡振响应时需计入振型和涡激力跨向相关性的影响，其中涡激力跨向相关性是本项目研究开展的重点。 本项目选取了1:5矩形断面、大贝尔特东桥的引桥断面（梯形）以及流线型箱梁断面三种不同类型的典型钝体断面开展相关研究。采用自由振动与强迫振动相结合的方式，在涡振锁定区附近开展了大量的表面测压和测振试验，研究了几种钝体表面脉动压力分布特性、涡激力跨向相关性影响机理以及断面不同位置气动力对整体涡激力相关性的贡献。在已有研究成果的基础上对三维涡振分析方法进行了优化，编制了大跨度桥梁三维涡振分析程序。然后对利用常规节段模型试验结果预估实桥各阶模态下涡振响应的三维涡激振动方法进行了简化，便于工程应用。最后，利用矩形和梯形两种断面的节段模型和拉条模型风洞试验对本项目方法进行验证。 本项目的研究成果使大跨度桥梁的涡振响应计算更加合理准确，使大跨度桥梁抗风设计进一步得到完善，具有十分重要的科学意义和工程价值。 2100433B