大跨橋樑非線性軟顫振理論、試驗與數值模擬研究

《大跨橋樑非線性軟顫振理論、試驗與數值模擬研究》是依託大連理工大學,由許福友擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：大跨橋樑非線性軟顫振理論、試驗與數值模擬研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：許福友

項目摘要

大跨橋樑軟顫振氣動非線性十分明顯，而目前研究卻非常滯後。本課題首先基於非線性振動理論，建立適合表征橋樑軟顫振的氣動非線性自激力模型，提出非線性氣動參數的識別方法，力求解決線性自激力模型面臨的問題；然後通過風洞試驗，研究大振幅自由振動系統的固有阻尼非線性及降低措施，旨在提高軟顫振分析精度；接著融合風洞試驗同步測振、測力和測壓信息，從多種角度研究軟顫振的主要影響因素，從而明確軟顫振誘發條件；進一步採用數值模擬方法，基於能量原理和反饋原理，揭示軟顫振的驅動機理；在此基礎上，給出提高軟顫振臨界風速的可行措施。通過本課題研究，可望在橋樑非線性氣動力建模與參數識別、軟顫振的風洞試驗方法與數值模擬技術、軟顫振機理解釋與振動控制等方面取得突破，為彌補橋樑現行抗風設計理論和規範存在的不足，提供有益的參考和借鑑。

結題摘要

在浙江大榭二橋、港珠澳大橋和鄭州桃花峪黃河橋、盤錦遼東灣新區內湖東橋和中橋等節段模型風洞試驗中，發現某些工況發生軟顫振，氣動力非線性現象尤為突出，而目前研究非常滯後。本課題主要研究內容包括：（1） 非線性自激力建模及氣動力參數識別：根據軟顫振非線性振動特點，建立純扭和彎扭耦合非線性自激力模型。基於傳統已有顫振導數識別理論及新建立的非線性自激力模型，研究軟顫振非線性氣動參數識別方法。（2）不同試驗條件下軟顫振測振、測壓試驗研究：針對2-3種典型主梁斷面，通過改變初始阻尼比、攻角、模態頻率、模態質量、試驗風速等條件，獲得純扭和彎扭耦合軟顫振位移、加速度及各測點壓強時程。（3）數值模擬方法研究橋樑主梁斷面軟顫振：按風洞試驗軟顫振運動時程，強迫數值模擬模型振動，提取總氣動力及各關注點時程，若力與能量各滿足平衡方程，則可證明數值模擬方法可用於研究非線性軟顫振；採用自由振動方法，捕捉計算不同條件下，橋樑軟顫振回響，並與風洞試驗結果對比分析。（4）非線性理論模型適用性及軟顫振機理研究：基於橋樑風洞試驗及數值模擬軟顫振實測振動信號，識別非線性自激力模型氣動參數，對理論模型精度和適用性進行驗證。根據軟顫振試驗測量結果和數值模擬計算結果，提取總氣動力及各關注點時程，建立力、能量兩種平衡方程，關注扭轉中心是否前移，非線性的強弱；從信號統計值、頻率、功率譜、相關性和相位差等角度，追蹤非線性因素導致反饋信號強度和極性演變過程，揭示軟顫振誘發機理。（5）橋樑軟顫振振動控制：通過風洞試驗和數值模擬方法，結合機理解釋，研究提高橋樑軟顫振風速的有效實用的氣動措施，包括措施的尺寸及具體位置；基於理論分析，研究採用主動吹氣和吸氣及阻尼器(機械措施)提高橋樑軟顫振風速的有效性及可行性，包括阻尼器參數取值及具體布置方案。對以上幾方面展開全面深入的理論、試驗與數值模擬研究，取得了多項重要的創新性成果，在美國土木工程師學會期刊結構工程, 工程力學, 橋樑工程, 宇航工程及國際權威期刊工程結構, 風與結構已發表及錄用論文10篇，發表國際國內學術會議論文8篇，培養博士生1名，碩士生3名，未來2-3年將陸續有更多相關成果發表。本研究在橋樑非線性氣動力建模與參數識別、軟顫振的風洞試驗方法與數值模擬技術、軟顫振機理解釋與振動控制等方面取得成果，為彌補橋樑現行抗風設計理論和規範存在的不足，提供有益的參考和借鑑。