大跨度橋樑非定常風致振動的非線性失穩機理及理論

《大跨度橋樑非定常風致振動的非線性失穩機理及理論》是依託同濟大學，由朱樂東擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：大跨度橋樑非定常風致振動的非線性失穩機理及理論
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：朱樂東
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

風振失穩包括顫振和馳振等，是對大跨度橋樑危害最大且必須避免的風致振動現象，由於實際橋樑經常具有非流線形斷面，其風振失穩都同時具有非定常和非線性特性，沒有明顯的突然發散臨界點，因此，如何合理確其臨界風速一直是橋樑風工程領域一個懸而未決的前沿課題。本項目以一系列典型矩形和修角矩形斷面以及四種典型中等寬高比非流線形橋樑斷面為對象，擬採用內置天平同步測力測振彈簧懸掛節段模型風洞試驗、全結構氣動彈性模型風洞試驗和理論分析研究相結合的方法，探索軟顫振和軟馳振的非定常自激力非線性機理和全過程能量演化規律；提出適應性好、可靠性高的實用非定常自激力非線性數學模型；並以此為基礎，建立大跨度橋非定常風振非線性失穩問題的實用分析理論，以及一種更加合理、切實可行的、基於結構性能的非流線形大跨度橋樑軟顫振和軟馳振這類非定常風致振動非線性失穩問題的評價體系或臨界風速判斷準則，具有重要的理論和實際意義。

結題摘要

顫振和馳振是大跨度橋樑抗風設計中需要面對的兩種最危險自激失穩現象，但顫振理論至今未能突破基於微幅振動假設的線性理論範疇，不能滿足具有現代柔性超大跨度橋樑抗風設計需求，而馳振理論至今也未能擺脫準定常假設，導致對其臨界風速和回響幅值的預測嚴重偏離實際，埋下安全隱患。本項目針對上述問題開展系統研究，取得了如下原創性成果： 研發了小型高精度動態三分量測力天平以及準靜態標定方法和系統，提出了能顯著降低慣性力成分、提高了自激力測量精度的內置天平同步測力測振方法。建立了節段模型系統非線性瞬幅阻尼比和瞬幅頻率（剛度）的時域識別方法，及非線性非風致附加氣動阻尼和質量參數識別方法，進一步提高了自激力測量精度。 率先提出了多種寬高比矩形及凹角和切角矩形斷面的橫風向自激力非定常非線性精細化數學模型，建立了基於能量等效原理的模型參數識別三步最小二乘法，徹底擺脫了準定常假設的束縛。通過對自激力不同成分做功演化規律及其對馳振穩態幅值的影響，揭示了馳振“發生、發展和自限幅”的機理，提出了可精確預測細長鈍體結構馳振穩態幅值的非定常自激力統一簡化非線性數學模型。研究了凹角和切角措施的減振效果和機理。建立了考慮風速剖面的鈍體結構非定常馳振三維非線性分析方法，得到了氣彈模型試驗驗證。從功等效瞬幅阻尼係數隨振幅演化規律出發闡明了馳振分岔和在較高風速區消失現象的機理。 通過自激力做功演化規律和穩態回響參數分析，揭示了雙邊肋梁和半封閉箱梁單自由度非線性扭轉顫振的“發生、發展和自限幅”的機理，提出了自激扭矩精細化和簡化非線性數學模型，建立了單自由度非線性扭轉顫振全橋三維分析理論，得到了全橋氣動彈性模型試驗驗證。 提出了全封閉箱梁彎扭耦合顫振自激升力和扭矩的非線性數學模型，建立了模型參數識別方法，並分析其耦合顫振“發生、發展和自限幅”的機理。建立了彎扭耦合非線性顫振分析的二維兩自由度復模態時頻混合理論和全橋多自由三維頻混合分析理論。 項目研究解決了鈍體馳振自激力數學模型的統一、馳振回響精確預測及顫振後非線性位移回響精確預測國際難題，具有前瞻性和創新性，為今後超大跨度橋樑非線性抗風穩定性設計理論奠定了紮實基礎。