2019年, 第32卷, 第10期　刊出日期：2019-10-20

  

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  中国公路学报. 2019, 32(10): 0-0.

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  封一/四

  中国公路学报. 2019, 32(10): 0-0.

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  “桥梁风致振动理论与试验技术进展”专刊导语

  中国公路学报. 2019, 32(10): 0-0.

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  随着"五位一体"总体布局和"一带一路"等重大区域合作倡仪的推进，一大批陆上超长公（铁）路和跨海连接工程已建成或待建中，桥梁作为关键的道路基础设施，对中国交通事业发展起着重要的支撑作用。自进入21世纪以来，中国桥梁建设技术不断提升，桥梁跨度记录持续刷新，结构体系更柔，阻尼更小，风敏感性更强。中国沿海和内陆地区频繁遭受强/特异风侵袭，强/特异风作用下的大幅风致振动是威胁桥梁施工和运营安全的关键技术和科学问题。近年来，中国以长大跨度桥梁建设为依托，在桥梁抗风方面取得了较多研究成果，已从"跟跑"学习国外经验为主的阶段过渡到以自主创新为特色的"领跑"国际先进水平阶段。
  为及时总结中国桥梁抗风的最新研究成果，引领桥梁抗风研究的发展方向，推动中国桥梁抗风理论与试验技术的创新，《中国公路学报》编辑部邀请湖南大学华旭刚教授牵头，并邀请中国工程院陈政清院士（本刊特邀编委）作为顾问专家，共同向该领域的知名专家、学者约稿，出版本期"桥梁风致振动理论与试验技术进展"专刊，回顾、总结和推广中国桥梁风致振动理论和试验技术的最新成果，探讨未来的发展趋势和方向，推进有序创新和持续发展。本期专刊共组约稿件近百篇，经编辑部组织专家审稿，最终录用27篇。
  专刊主要内容包括以下5个方面：
  （1）综述：总结了桥梁断面涡振驱动机理、影响因素、分析手段及控制方法等研究现状、发展和不足；回顾了桥梁非线性颤振的研究进展和非线性自激气动力模型；介绍了被动气动控制措施在改善主梁颤振、涡振性能时的优化思路，讨论了基于气动附属物的形状和位置优化原则等。
  （2）大跨桥梁抗风：包括基于位移测量的非线性涡激力模型参数识别方法、深中通道伶仃洋大桥（主跨1 666 m）抗风性能研究、大攻角下超大跨度斜拉桥颤振性能节段模型风洞试验和大跨度悬索桥的多阶模态竖向涡振与控制等工作内容，涉及大跨桥梁抗风涡振、颤振、静风失稳、断面形式绕流特征及主动和被动控制措施等。
  （3）风-车-桥耦合系统气动特性：包括大跨度桥梁桥上汽车气动特性风洞试验、紊流影响下的车桥系统气动力特性风洞试验、桥塔遮风效应对车辆气动参数及行车安全的影响等。
  （4）索结构风致振动与控制：包括微椭圆截面斜拉索风致振动特性及机理、表面损伤斜拉索气动力及流场、斜拉索涡激振动的被动自吸吹气流动控制、黏滞惯质阻尼器对斜拉索的减振效果分析等，涉及风洞试验、现场实测、数值模拟和理论分析综合性研究手段。
  （5）风洞试验技术：介绍了风洞试验中山区峡谷桥址地形模型的过渡段优化问题，开发了基于大气边界层风洞中模拟下击暴流水平风速风场的试验装置。
  桥梁风致振动理论与试验技术研究的持续创新发展，是中国建设交通强国，践行"一带一路"区域合作倡仪等的重要支撑。《中国公路学报》将持续关注该领域的最新研究成果，以期为广大专家、学者及工程技术人员提供更好的知识服务与交流沟通平台，促进中国公路交通行业的安全、健康与可持续发展。
综述
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  大跨桥梁主梁涡激振动研究进展与思考

  葛耀君, 赵林, 许坤

  中国公路学报. 2019, 32(10): 1-18. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.001

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  大跨桥梁主梁涡激振动与控制属桥梁工程核心技术难题，亦为桥梁抗风设计理论有待深入解决的关键科学问题。为推动大跨桥梁主梁涡振理论与应用研究的进一步发展，系统梳理国内外针对该问题的最新进展与前沿热点。首先总结现场实测、风洞试验、计算流体力学及理论分析4种常用研究手段及其适用条件，然后从主梁断面涡振驱动机理、涡振影响因素、三维全桥涡振计算方法及主梁涡振控制4部分回顾国内外最新研究进展，最后从试验与测试技术、理论分析、主梁涡振控制3个角度探讨大跨桥梁主梁涡振研究的发展趋势。结果表明：大跨桥梁主梁涡振研究在流体-结构耦合特性模拟、三维全桥涡振性能预测、实桥涡振控制等方面尚存在一些技术难题有待进一步探索；近年来围绕新型观测设备和试验技术、高精度气动力降阶模拟和人工智能手段、主动气动控制措施和新型被动机械措施方面出现了一些新的发展趋势，有较大的细化和深入研究的空间。
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  大跨桥梁颤振分析理论研究进展

  廖海黎, 王骑, 李明水

  中国公路学报. 2019, 32(10): 19-33. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.002

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  随着悬索桥跨径朝向2 000 m级发展，由大攻角和大振幅引起的结构非线性和气动力非线性影响突出，颤振设计面临着前所未有的挑战。传统的桥梁颤振计算理论及方法已无法满足大跨度及超大跨度桥梁的抗风设计需求，亟需发展桥梁非线性颤振计算理论与方法。在扼要回顾线性颤振理论研究成果的基础上，对近年国内外关于桥梁非线性颤振的研究进展及主要成果进行了总结，介绍了非线性自激气动力的研究成果和几种典型的非线性自激气动力模型，并根据桥梁断面气动力随振幅变化的非线性特性，重点介绍了2种不同类型的非线性耦合颤振计算方法，其有效性和准确性均通过风洞试验进行了验证。需要指出的是，气动力的振幅依存性是大跨度桥梁颤振后状态研究的关键所在，尤其是计入耦合效应的高次谐波气动力的振幅依存性。基于目前的研究进展，确定了三维和多模态非线性颤振计算方法，任意运动及紊流下非线性气动力建模和非线性颤抖振理论，以及如何科学制定"软颤振"的评价标准是未来需要重点开展的几项工作。
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  大跨桥梁主梁风致稳定性被动气动控制措施综述

  赵林, 李珂, 王昌将, 刘高, 刘天成, 宋神友, 葛耀君

  中国公路学报. 2019, 32(10): 34-48. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.003

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  颤振和涡振是大跨桥梁风致振动控制的核心研究对象，而被动气动控制措施是当前最常用的抑振方法。为了提高气动选型和优化的效率，系统调研了既有的颤振、涡振被动气动控制措施，发现对于有类似气动特性的主梁，被动气动控制措施在颤振、涡振控制方面存在较明显的趋同性。在选择颤振、涡振气动控制措施时，有必要紧密结合主梁气动外型分类。为此，基于大跨度桥梁中最常见的4种主梁类型（双边主梁、整体式箱梁、分体式箱梁以及桁架梁），综述了被动气动控制措施在改善主梁颤振、涡振性能时的优化思路，提出了基于气动附属物（稳定板、格栅、风障、翼板、分流板、裙板、导流板、隔流板等）的形状和位置优化原则，推荐了考虑主梁固有外形（主梁开槽、槽内倒角、设计风嘴、调整栏杆和检修轨道形式）的附加构件尺寸设置策略。研究结果可为大跨度桥梁主梁选型设计阶段提供气动选型方面的参考和借鉴。
大跨桥梁抗风
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  基于位移测量的非线性涡激力模型参数识别方法

  朱乐东, 孙颢, 朱青, 杜林清

  中国公路学报. 2019, 32(10): 49-56. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.004

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  利用半经验数学模型来近似表示涡激力是目前研究涡激共振所采用的主要方法，但关于非线性涡激力模型参数的试验识别研究还较少，现有识别方法也有待改进。为了更方便可靠地识别非线性涡激力模型中的参数，根据能量等效原理推导出一种基于节段模型位移响应的气动参数识别新方法。通过节段模型风洞试验测得中央开槽箱梁断面的扭转涡激共振位移响应，应用新方法识别简化非线性涡激扭矩模型中的气动参数，并对参数识别精度做出评价。将新方法与Ehsan等所建议的位移法以及基于实测力时程的三步最小二乘拟合法进行了对比。结果表明：利用新方法识别得到的气动参数可以较好地预测系统的扭转涡激共振位移响应；基于一致的系统线性机械参数，新方法识别得到的气动参数与Ehsan等所建议位移法的识别结果基本相同，而新方法能进一步考虑对识别结果影响较为显著的机械参数非线性特性；当新方法考虑非线性机械参数时，其识别结果和基于实测力时程的三步最小二乘拟合法相比也十分吻合，并且新方法更为简便。
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  深中通道伶仃洋大桥(主跨1 666 m)抗风性能研究

  赵林, 王骑, 宋神友, 陈伟乐, 吴明远, 廖海黎, 葛耀君

  中国公路学报. 2019, 32(10): 57-66. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.005

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  伶仃洋大桥（主跨1 666 m）为深中通道的主通航孔桥，位于典型的强台风气候区，易受台风主导的极端天气影响，桥面高度处的设计基准风速高达58.6 m·s^-1，桥梁的抗风设计面临极大挑战。介绍该桥从初步设计阶段到施工图设计阶段的抗风性能研究过程，包含初步设计阶段采用节段模型风洞试验实施的多方案结构比选和施工图设计阶段通过全桥气弹模型和节段模型风洞试验优化主梁气动措施两方面内容。通过整个抗风设计流程，最终确定了结构体系、主梁形式及梁高、中央稳定板高度、栏杆透风率和检修轨道位置等综合抗风措施，在保证抗风安全的同时提高了工程经济性。对于本工程代表的超大跨度悬索桥，以多种气动和结构措施综合提升桥梁的抗风稳定性，突破了颤振设计的认识瓶颈，成功地沿用了整体式流线箱形加劲梁，回归到桥梁设计及建造兼顾经济和安全的发展本源，对于采用整体箱梁的大跨度悬索桥极限跨径的应用具有重要的示范意义。
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  大攻角下超大跨度斜拉桥颤振性能节段模型风洞试验

  朱青, 陈文天, 朱乐东, 崔译文

  中国公路学报. 2019, 32(10): 67-74. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.006

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  为了研究一座1 400 m跨径流线型闭口箱梁断面斜拉桥的颤振性能，根据其风致静力失稳或颤振前主梁最大有效风攻角已接近±10°的特点，通过弹簧悬挂节段模型试验，开展了大攻角下桥梁颤振性能研究。试验发现，在4°~10°风攻角下，高风速时模型均出现了弯扭耦合程度较弱的自限幅非线性颤振现象；而在其他攻角下，高风速时模型则表现为常规的发散型弯扭耦合颤振。研究发现，经典的线性颤振理论无法适用于研究试验中大攻角下出现的非线性颤振现象。因此，采用了一种简化的非线性半经验数学模型来表示非线性颤振中的自激扭矩，并从试验模型颤振位移时程中识别得到了模型参数。基于这一非线性自激力模型，通过试验测得的位移信号来构造自激扭矩时程，再利用自激扭矩的做功时程来识别各个气动参数。之后，利用其中的部分气动参数构造气动阻尼，并基于结构阻尼系数与气动线性阻尼系数之和为零的判断条件，提出了一种针对非线性颤振现象的临界风速确定方法，同时将线性和非线性颤振的起振判断条件进行了很好的统一。研究结果表明，利用这一方法求得的颤振临界风速与风洞试验中出现的现象基本吻合。
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  基于主动翼板的桥梁颤振次最优控制

  卓凌骏, 廖海黎

  中国公路学报. 2019, 32(10): 75-83. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.007

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  颤振是大跨度桥梁抗风设计中的关键问题。通过对颤振进行主动控制影响桥梁的气动形态从而改变作用于结构上的气动力，达到抑制颤振的目的，对于大跨度桥梁的颤振控制是行之有效的手段。但是桥梁的颤振主动控制涉及到气动力的获取和控制率的优化问题，迄今未能完全解决。结合桥梁主动控制前期研究并借鉴航空领域中的颤振主动控制原理，研究了基于主动翼板的桥梁颤振控制问题；基于机翼-副翼理论和颤振导数形式给出了流线箱梁-主动翼板的自激气动力表达式，同时考虑主梁钝体特性和其与主动翼板气动干扰效应；由流线箱梁-主动翼板的气动力表达式和试验控制的诉求，采用次最优控制理论，构造基于少数状态变量的桥梁颤振系统反馈控制方程。根据流线箱梁-主动翼板气动力表达式和次最优控制理论，针对平板-翼板和流线箱梁-翼板系统，首先由数值风洞获取系统的气动力，并采用自编程序解算次最优颤振控制律；最后通过计算流体动力学（CFD）流固耦合数值仿真对控制效果进行检验。结果表明：对于平板-翼板系统，基于流线箱梁-主动翼板气动力表达式而获取的颤振导数与理论解吻合，验证了该气动力表达式的准确性，可用于后续控制分析；结合系统的气动力，次最优控制率在超越无控制结构的临界风速下，能够快速抑振。据此，主梁-翼板系统的次最优控制可面向实际抑制桥梁颤振，并提高颤振临界风速。
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  大跨度桥梁抖振响应的直接估算方法

  苏益, 李明水

  中国公路学报. 2019, 32(10): 84-95. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.008

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  大跨度桥梁结构抖振响应的预测主要通过全桥气弹模型抖振响应试验和基于节段模型试验识别气动参数的理论计算2种方法。但由于试验中大气边界层湍流特性的模拟与实际存在一定的偏差，因此无法准确估计实际桥梁结构的抖振响应。为解决实际大跨度桥梁结构抖振响应预测的精度问题，在片条假设成立的条件下，通过数学推导提出了综合传递函数的概念。该函数是气动导纳函数和考虑了自激力的机械导纳函数的组合，其将湍流的脉动特性与由湍流引起的桥梁结构的抖振响应直接联系在一起，并基于此提出了一种预测大跨度桥梁抖振响应的直接计算方法。以坝陵河大跨度悬索桥为例，在两不同风场中分别进行全桥气弹模型风洞试验，通过模型抖振响应及模拟风场测量的试验结果识别两不同风场中的综合传递函数，发现二者结果几乎一致。理论及试验分析表明：对于展宽比较大的大跨度桥梁结构，综合传递函数仅与结构固有特性及参数有关，与风场特性无关；基于综合传递函数获得抖振响应的方法省略了传统分析方法中气动参数的识别及抖振力的计算，可通过测得实桥桥址处的湍流特性，利用风洞试验中识别的综合传递函数直接计算获得实桥准确的抖振响应。最后通过算例给出了综合传递函数的应用方法，为大跨度桥梁抖振响应的准确预测提供了方法，并可为节段模型试验直接预测实桥抖振响应提供思路。
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  扁平箱梁颤振后状态的振幅依存性研究

  伍波, 王骑, 廖海黎

  中国公路学报. 2019, 32(10): 96-106. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.009

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  以舟岱通道大桥扁平箱梁断面为对象，通过节段模型风洞试验详细测试了该断面在风速超过颤振临界点后，振幅随风速变化的颤振后振动特性。基于变振幅的运动时程，阐释了气动阻尼、相位差及颤振导数等参数的振幅依存特性，提出了变振幅条件下的各参数的识别方法，指出了影响扁平箱梁颤振后特性的主要因素，并利用耦合颤振闭合解法进行了验证。研究结果表明：扁平箱梁在颤振后的振动过程中，气动阻尼具有明显的振幅依存性，相位差的振幅依存性较弱，振幅比基本不具有振幅依存性；颤振导数A₂^*随振幅变化而显著变化，是影响气动阻尼改变的最主要因素，其余颤振导数具有一定的振幅依存性，但对气动阻尼的影响较小。最后从气动阻尼随振幅变化的角度初步阐释了扁平箱梁在颤振后发生不同振动现象的动力学机理，并从气动阻尼曲线存在多个零点的角度解释了扁平箱梁在同一风速下具有多个稳定振幅点的可能性。
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  宽幅双箱叠合梁涡振性能及抑振措施试验研究

  张天翼, 孙延国, 李明水, 廖海黎

  中国公路学报. 2019, 32(10): 107-114,168. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.010

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  叠合梁断面通常为气动外形较钝的半开放截面，为漩涡的产生和发展提供了条件，容易发生涡激振动现象。过大振幅的涡激振动会影响行车舒适性，严重时将引起结构疲劳破坏，危及桥梁结构安全。如何有效解决涡激振动问题成为叠合梁桥抗风设计的关键。为了抑制该类主梁断面的涡激振动，以宜宾盐坪坝长江大桥为背景，通过1：60的节段模型风洞试验，研究了风嘴、中央稳定板、封闭栏杆、裙板、内侧隔流板、箱梁下导流板等常见措施对双箱叠合梁断面涡激振动性能的影响。研究结果表明：封闭斜拉索防护栏杆、内侧隔流板、梁底稳定板等措施均可不同程度地降低主梁的涡振振幅，但仍无法满足桥梁的抗风设计要求；竖直裙板可以使-3°和0°攻角下主梁的涡激振动消失，但对3°攻角的减振效果有限；在叠合梁中应用广泛的传统整体式风嘴无法降低宽幅双箱叠合梁的涡振振幅；采用安装在箱梁侧下方的三角形风嘴可以减弱箱梁边缘的流动分离，优化梁体的气动外形，从而使断面在各个风攻角下的涡振振幅大幅降低。将三角形风嘴与封闭斜拉索防护栏杆的方案组合后，可进一步降低主梁的涡振振幅，满足抗风设计的要求。所提出的叠合梁涡振抑振措施具有较好的工程适用性，可为同类桥梁的抗风设计提供借鉴。
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  大跨度悬索桥的多阶模态竖向涡振与控制

  华旭刚, 黄智文, 陈政清

  中国公路学报. 2019, 32(10): 115-124. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.011

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  大跨度悬索桥具有多个竖向模态密集分布的特性。在常遇风速范围内，从低到高的各阶竖向模态随风速升高而逐个发生涡振，这就是大跨度悬索桥的多阶模态涡振问题。针对这一问题开展深入研究，讨论中国公路桥梁抗风设计规范中竖向涡振容许振幅的合理性；阐述了利用节段模型风洞试验和理论分析综合预测实桥多阶模态竖向涡振响应的基本方法，得到了各模态阻尼比相等时悬索桥各阶模态竖向涡振振幅基本相等的结论，并通过特殊设计的悬索桥竖向等效气弹模型和塔科马桥涡振实测资料，验证了这一结论；指出在既有桥梁上追加气动措施或安装调谐质量减振器抑制悬索桥多阶模态涡振都有很大的难度，进而提出了在加劲梁与桥塔之间安装直接耗能阻尼器的设想，并进行了气弹模型试验验证；讨论了采用电涡流阻尼器进行半主动涡振控制的可行性。研究结果表明：在相同阻尼比条件下大跨度悬索桥各阶竖弯模态的最大涡振振幅基本相等；依据最大加速度幅值按频率比的平方增加的原理，满足人体振动舒适性的高阶竖弯模态的容许振幅必然小于低阶模态，因此要更加重视起振风速在容许行车风速（25 m·s^-1）以内的高阶竖弯模态涡振；对于漂浮体系悬索桥，在加劲梁与对应桥塔之间设置阻尼器可有效抑制多阶模态涡振。
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  扁平箱梁断面弯扭耦合软颤振非线性特性研究

  高广中, 朱乐东, 吴昊, 李加武

  中国公路学报. 2019, 32(10): 125-134. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.012

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  针对大跨度桥梁软颤振非线性特性，采用弹簧悬挂节段模型风洞试验法，研究了典型扁平箱梁断面（宽高比10.7：1）在均匀流场下的软颤振响应，并采用一种新型的高精度测力技术——内置天平同步测力测振法测量了非线性颤振自激力时程，该测力技术可大幅降低天平信号中的惯性力成分，提高自激力的测量精度。试验结果表明：扁平流线型箱梁断面在风攻角5°、±3°和0°时均出现了软颤振响应，观测到的软颤振现象表现为自限幅的极限环振荡，振幅随着风速的增加而增大，随着风攻角的增大，软颤振起振风速降低，振幅增加的斜率变缓；软颤振振动出现在扭转模态，竖向和扭转位移均存在一定的高次谐波成分，但与基频相比较为微弱，可以忽略；扁平箱梁断面的软颤振具有显著的弯扭自由度耦合特性，弯扭耦合程度随风速增加而增大，在软颤振振幅发展过程中，节段模型仍然以线性扭转复模态的形式振动，扭转复模态向量的幅值变化较为明显（约15%），需要考虑其随振幅的缓变特性，相位特性变化非常微弱（相位差变化小于3%），可以忽略。基于内置天平同步测力测振技术，测量得到的非线性自激力信号能够较为精确地计算软颤振振动位移时程，具有较高的精度，自激升力和自激扭矩均在大振幅下表现出显著的高次谐波成分。
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  大跨度密频斜拉桥模态耦合抖振MDTMD控制

  沈正峰, 胡兆同, 李加武, 薛晓锋, 高广中

  中国公路学报. 2019, 32(10): 135-149. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.013

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  为了对大跨度密频斜拉桥抖振进行控制，基于虚功原理推导出以广义相对位移为未知量的多自由度多模态耦合抖振频域控制方程，总结文献中以位移为最优目标的调谐阻尼器（TMD）最优参数解析解，改进传统双频TMD（DTMD）模型，提出衡量DTMD自身冲程大小的评价标准和采用频响函数峰值分布情况选取控制频宽，对比研究各种参数优化方案和DTMD频率间距对抖振减振效果的影响。研究结果表明，密频斜拉桥抖振响应谱密度峰值的分布特性和一般斜拉桥有明显不同，响应谱在各阶振型频率之间的鞍谷能量不可忽视，各阶振型对主梁不同位置的抖振响应贡献具有差异性。结构阻尼比越小，单个DTMD（SDTMD）减振效果越好，SDTMD控制会出现频响函数能量频移现象。多模态多重调谐质量阻尼器（MDTMD）控制要优于单模态MDTMD控制，改进的DTMD能够在2个方向同时达到良好的减振效果，比传统的DTMD更具优势。分析DTMD频率间距按照均匀分布、二次抛物线分布和频响函数积分等面积分布计算的抖振响应控制效果表明，合理的频率间距能够在相同条件下获得更好的减振效果。单模态和多模态控制得出的结果都表明，Krenk解在综合减振效果上要优于Den Hartog解，采用公路桥梁抗风设计规范（JTG/T 3360-01-2018）中Den Hartog解进行DTMD参数设计时，应增加DTMD的设计阻尼比，且增幅不少于15%。
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  栏杆基石对闭口箱梁桥梁涡振性能影响的机理

  李春光, 张佳, 韩艳, 晏聪

  中国公路学报. 2019, 32(10): 150-157. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.014

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  为研究检修道栏杆基石对桥梁涡激振动性能的影响，依托中国某主跨808 m的超大跨度闭口箱梁加劲梁悬索桥，通过主梁大比例节段模型弹性悬挂测振测压风洞试验获取模型风致振动响应和表面各测点压力时程数据，测试原设计断面在±5°攻角范围内的涡振性能，对比分析3种不同栏杆基石位置和高度工况下主梁涡振响应性能和桥面测点脉动压力系数均值、均方差、压力功率谱以及局部气动力和总体气动力的相关性。研究结果表明：依托工程主梁设计断面发生了显著的竖向和扭转涡激共振，且扭转涡振显著超出规范允许值，主梁涡振性能随来流风攻角的增大而变差。主梁表面实测脉动压力数据分析显示，由于栏杆和基石的阻挡，箱梁上表面气流分离后在后部再附，导致上表面前部和中后部发生了强烈的压力脉动。上表面前部、后部以及下表面迎风区斜腹板局部气动力与总体气动力具有很强的相关性，这也是导致主梁发生显著扭转涡振的根本原因。将栏杆基石移至桥面板边沿显著减小了上、下表面压力脉动，上表面前部和后部气动力相关性被破坏，可以大幅抑制涡振；将栏杆基石移至桥面板边沿，并降低栏杆基石高度抑制了气流在上表面后部的再附现象，断面压力脉动被削弱，局部气动力和总体气动力相关性被完全破坏，从而有效抑制涡振。
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  山区峡谷非均匀风场下大跨度斜拉桥静风稳定性分析

  胡朋, 颜鸿仁, 韩艳, 蔡春声, 肖勇刚

  中国公路学报. 2019, 32(10): 158-168. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.015

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  为研究山区峡谷地形下非均匀风场对大跨度桥梁静风稳定性的影响，以一座跨越典型山区峡谷地形的大跨度斜拉桥为工程背景，首先，采用计算流体动力学（CFD）软件Fluent对桥址区地形的风场特性进行分析，计算出沿主梁方向的非均匀风速和非均匀风攻角分布；然后，采用ANSYS APDL技术实现能考虑非均匀风速和非均匀风攻角下大桥静风稳定性的非线性分析方法。在此基础上，综合考察非均匀风攻角分布、非均匀风速分布、非均匀风速非均匀风攻角分布等风场条件对大桥静风稳定性的影响，分析各工况下主梁的静风变形与跨中处拉索刚度变化。研究结果表明：与均匀风场条件下的静风响应不同，非均匀风攻角或非均匀风速下主梁静风响应最大值点位于风荷载峰值点与跨中之间，在针对非均匀风场下大桥的静风稳定性分析时，应更注重静风响应最大值点而不是跨中处；非均匀风攻角下大桥的静风失稳临界风速要远低于均匀风攻角的静风失稳临界风速，且其静风稳定性能主要受最大风攻角而不是主跨部分非均匀风攻角的平均值来控制；非均匀风速下大桥的静风失稳临界风速主要由主跨部分的风速平均值和最大值共同影响；主梁的竖向位移和扭转角形状主要由风攻角因素来控制，而横向位移的变化规律相对较独立，其形状基本上以跨中线对称，且其值主要由风速因素来决定。
风-车-桥耦合系统气动特性
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  横风下π型断面大跨桥上汽车气动特性风洞试验（双语出版）

  何旭辉, 薛繁荣, 邹云峰, 蒋硕, 杜镔, 徐向东, 马白虎

  中国公路学报. 2019, 32(10): 169-177,199. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.016

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  准确获得车-桥系统气动力是评估强风作用下桥上车辆运行安全性和舒适性的基本前提，为此必须考虑车辆与桥梁间存在的显著气动相互干扰。以山区大跨桥梁常见的π型断面主梁和集装箱货车为研究对象，设计并制作了1：32几何缩尺比的桥梁和车辆刚性测压模型，通过风洞试验测试了典型车-桥组合工况下车辆表面的风压分布，分析了前、后车辆干扰作用、车辆横向距离和车道组合方式等对桥上汽车气动特性的影响，并进一步分析汽车表面的风压值分布，以探究汽车气动力系数变化的机理。研究结果表明：前、后车辆间的干扰、车辆横向距离的改变对汽车的侧向力系数、阻力系数和升力系数均有较大影响，但对汽车的力矩系数影响较小，且汽车的力矩系数具有一定的离散性；车道组合方式中测试车辆位置的改变对汽车气动特性的影响大于干扰车辆位置的改变对汽车气动特性的影响，且车辆组合方式的改变对汽车的力矩系数基本没有影响；受桥梁π型主梁断面的影响，汽车侧向力系数的变化趋势与Coleman规律下的变化趋势不同。
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  紊流影响下车-桥系统气动力特性风洞试验

  左太辉, 何旭辉, 邹云峰, 周佳

  中国公路学报. 2019, 32(10): 178-190. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.017

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  为了研究横风作用下紊流参数对车-桥系统气动力特性的影响，以典型32 m简支梁桥和CRH2列车头车为背景，首先根据阻塞比要求设计几何缩尺比为1：25的桥梁和列车测压试验模型；然后通过在风洞试验段入口处采用"格栅条"被动紊流发生装置，模拟一系列紊流风场；最后开展不同工况下车-桥组合风洞动态测压试验，测试列车和桥梁表面风压，并积分获得列车和桥梁气动力。基于此，分析了双线轨道不同位置下，顺风向紊流度、紊流积分尺度对列车表面风压和车-桥气动力分布的影响规律，并讨论了风攻角对车-桥气动力系数的影响。结果表明：列车表面平均风压系数随紊流度的增加而减小，紊流风场中列车和桥梁气动侧力（阻力）系数均小于均匀流场；紊流度对迎风侧轨道列车的影响更为显著，而对车头气动力特性影响较小，车身侧力（阻力）系数随紊流度增加而显著降低，升力系数和力矩系数随紊流度的变化规律并不显著；桥梁气动力系数对紊流度变化的敏感程度小于列车，其侧力（阻力）系数并非随紊流度的增大而单调减小，升力系数随紊流度增加而增大，力矩系数随紊流度的变化规律并不明显；车-桥气动力系数受紊流积分尺度的影响小于紊流度，桥梁侧力（阻力）系数受影响程度大于升力系数和力矩系数；列车位于背风侧轨道时，车-桥气动力系数随紊流积分尺度变化的敏感程度小于列车位于迎风侧轨道；风攻角和紊流参数对车-桥气动力特性的影响是相互独立的，且受列车路线布置方式影响不大。研究结果为紊流风场下的行车安全性提供了数据和资料。
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  桥塔遮风效应对移动列车气动参数及行车安全的影响

  李小珍, 唐庆, 吴金峰, 毛小艺, 肖军, 王铭

  中国公路学报. 2019, 32(10): 191-199. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.018

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  为研究桥塔遮风效应对移动列车气动参数的影响，以沪通长江大桥这一钢桁梁斜拉桥为背景，基于移动列车模型试验装置，设计了缩尺比均为1：30的桁梁、桥塔和CRH3列车模型，依托XNJD-3风洞实验室进行了一系列试验。基于测试结果，分析列车通过桥塔区域时车速、风速以及合成风向角对列车气动参数的影响，并利用风-车-线-桥耦合振动模型分析了桥塔处气动参数突变对CRH3列车行车安全的影响。研究结果表明：桥塔遮风效应对移动列车影响显著，车辆气动参数在桥塔区域呈现突变的现象，升力系数和阻力系数经历了先减小后增大的过程，力矩系数则先增大后减小；风速越低，气动参数曲线在桥塔处的突变程度越大；气动参数曲线的突变宽度远大于桥塔自身的宽度，且车速越高突变宽度越大；合成风向角越小，列车气动参数在桥塔区域的变化越显著；列车离开桥塔区域时，桥塔尾流会造成升力系数和阻力系数局部增大；在考虑桥塔遮风效应的情况下，列车车体加速度在桥塔区域急剧增大，当列车远离桥塔区域时又逐渐减小；桥塔遮风效应会威胁列车的行车安全，未考虑桥塔遮风效应的分析结果是偏不安全的。
索结构风致振动与控制
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  微椭圆截面斜拉索风致振动特性与机理

  刘庆宽, 孙一飞, 贾娅娅, 肖彬, 王晓江

  中国公路学报. 2019, 32(10): 200-209. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.019

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  斜拉桥斜拉索在生产、运输、安装和运营过程中，在各种因素的作用下，有可能使得其截面形状不再是标准的圆截面，经过调研与统计，部分斜拉索具有长短轴之比接近1的微椭圆截面，研究微椭圆截面斜拉索气动力和风致振动特性具有重要工程价值。通过对3种长短轴之比（L/D=1.05，1.10及1.15）的微椭圆斜拉索模型进行测力和测振风洞试验，对比分析了微椭圆斜拉索与标准圆柱斜拉索的风致振动特性，研究了雷诺数、风攻角和长短轴之比对风致振动特性的影响规律，并尝试运用Den Hartog驰振准则对振动机理进行分析。研究结果表明：斜拉索的截面由标准圆变为微椭圆之后，在某些风攻角下振动更加剧烈，发生振动的雷诺数范围更宽，起振雷诺数更低；振动中心随雷诺数的变化曲线与标准圆柱斜拉索不同，并且随风攻角而异；大幅振动主要发生在临界区和超临界区，对应雷诺数为Re=2.5×10⁵~4.0×10⁵，风攻角则在α=10°~30°和α=60°~80°范围之内；风致振动特性随雷诺数的变化规律与长短轴之比不是简单的单调关系，而是与风攻角相关；根据Den Hartog驰振准则判断可能发生驰振的区域与试验中实际发生振动的区域吻合较好。
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  表面损伤斜拉索雷诺数临界区气动力与流场分析

  肖彬, 刘庆宽, 张磊杰, 孙一飞, 贾娅娅

  中国公路学报. 2019, 32(10): 210-221,278. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.020

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  斜拉索由于具有自身质量轻、结构刚度差、结构阻尼小和自身长细比大的特点，极容易发生风（雨）致振动，对桥梁结构的安全性能产生很大的影响，而斜拉索作为斜拉桥的重要受力构件，准确掌握其风荷载对于桥梁抗风设计具有重要意义，特别是斜拉索在生产、运输和安装过程中表面可能受到损伤，该斜拉索在临界雷诺数区的气动力特性和流场特性更是值得研究的问题。针对此种状况，通过同步测力风洞试验，对表面无损伤斜拉索模型和表面损伤斜拉索模型在不同风攻角下的升力系数进行时程分析，得到边界层转捩的3个区域；将升力系数时程进行快速傅里叶变换计算得到升力时程频谱图，并通过频谱图分析随机信号的频域特征；对比从雷诺数亚临界、临界到超临界区表面无损伤和表面损伤斜拉索的流场变化，并从周围流场变化的角度分析雷诺数临界区斜拉索气动稳定性及可能的机理。研究结果表明：表面无损伤和表面损伤模型的升力系数随雷诺数的变化规律基本一致，二者的升力时程在TrBL0向TrBL1阶段和TrBL1向TrBL2阶段过渡过程中会出现双稳态现象，损伤会影响斜拉索尾流区旋涡脱落的情况，进而对不同雷诺数下的Strouhal数值变化产生一定的影响。
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  斜拉索涡激振动的被动自吸吹气流动控制

  陈文礼, 陈冠斌, 黄业伟, 李惠

  中国公路学报. 2019, 32(10): 222-229. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.021

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  圆形斜拉索长细比大、阻尼及刚度小，因而其经常发生风致振动，尤其是涡激振动。涡激振动是一种限幅振动，其发生风速较低，因而斜拉索经常发生涡激振动现象，为此提出一种被动自吸吹气流动控制措施来抑制斜拉索涡激振动。通过节段模型气弹试验得到，被动吸吹气控制方法在套环间距适当下使得斜拉索涡激振动区间变窄，甚至可以完全抑制其发生涡激振动。通过分析斜拉索节段模型表面压力分布，得到被动自吸吹气能大幅度降低压力脉动值和脉动风荷载；且模型背风面的平均压力值的平台区也有所提升，表明平均阻力也有所减小。频谱分析表明：此控制方法改变了旋涡脱落模式及脱落强度。最后由尾流速度剖面可得，被动吸吹气流动控制方法缩小了模型尾流区宽度，尾流中的速度脉动也极大降低。折算风速为5.99时，对尾流速度时程做频谱分析可得，吸吹气控制方法能抑制住无控圆柱模型尾流中周期性交替脱落的旋涡。套环控制方法应用于三维柔性索性索模型上，能极大地降低柔性斜拉索的前三阶涡激振动幅值，同时发现套环间距越小，控制效果越强。
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  黏滞惯性质量阻尼器对斜拉索减振效果的数值分析

  李寿英, 李振宇, 陈政清

  中国公路学报. 2019, 32(10): 230-236. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.022

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  随着斜拉桥跨度的增大，斜拉索长度也越长，会同时存在发生风雨激振和涡激共振的可能性。风雨激振参与模态主要为低阶，涡激共振参与模态为高阶，这给斜拉索减振阻尼器的设计带来了新的挑战。采用数值方法，研究了黏滞惯性质量阻尼器（Viscous Inertial Mass Damper，VIMD）的斜拉索减振效果。首先，将斜拉索简化为张紧弦，建立了斜拉索-VIMD系统的运动微分方程，采用有限差分方法对方程进行数值求解。然后，以苏通大桥A30号斜拉索为工程背景，研究了各参数对该系统模态阻尼比的影响。最后，研究了阻尼器支架刚度对斜拉索-VIMD系统减振效果的影响，并将数值解与近似解析解进行对比。研究结果表明：在传统的黏滞阻尼器中并联惯性质量单元，可显著提高斜拉索的模态阻尼比，非常有利于减振；斜拉索-VIMD系统各阶模态的量纲为1的阻尼比曲线不重合，这与传统的斜拉索-VD（Viscous Damper）系统不同；斜拉索-VIMD系统的模态阻尼比随支架刚度的减小而急剧减小。
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  悬链线型斜拉索风雨激振模型及特性分析

  杨雄伟, 李明水, 李暾

  中国公路学报. 2019, 32(10): 237-246. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.023

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  斜拉索长度随斜拉桥跨度增大而增长，以抛物线型近似代替实际状态下拉索线型的误差也越来越大。考虑水线与拉索表面之间存在库仑阻尼力和黏滞线性阻尼力，建立了基于悬链线型考虑面内-外耦合振动的运动水线连续弹性拉索风雨激振理论模型，并推导出以各阶模态为坐标的拉索振动微分方程。以不同参数拉索为例，对拉索与水线的耦合运动微分方程组进行数值求解，并将计算结果与基于抛物线型的拉索风雨激振理论模型进行了比较。结果表明：在某些情况下，拉索采用悬链线型与抛物线型的计算结果在拉索振幅、参振模态、空间振动形态、振动频率、拉索与水线相位差以及水线的振动频率上有很大差异；垂度影响系数对拉索低阶模态有较大影响，抛物线型垂度影响系数大约是悬链线型的一半；采用悬链线型建立的拉索风雨激振理论模型得到的拉索各阶模态的自振频率比采用抛物线型模型的计算结果要高，模态阶数越低，自振频率差距越明显。
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  多塔斜拉桥加劲索涡激振动实测与时域解析模态分解

  祝志文, 陈魏, 李健朋, 杨赢, 袁涛

  中国公路学报. 2019, 32(10): 247-256. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.024

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  为研究多塔斜拉桥中塔加劲索涡激振动时域和频域特性，对多根加劲索开展了振动加速度测量和风速、风向观测，研究了加劲索振幅与风速和风向的关系，分析了加速度时程的时域和频域特征。采用解析模态分解法对加劲索涡激振动加速度时程进行了分解，分析了所得分量的时域和频谱特征。研究发现，在无雨和较低风速条件下，同侧并列加劲索仅迎风侧发生明显涡激振动，其峰值振动是以频率为6.25 Hz的第28阶模态主要参与为特征，为高阶多模态涡激振动，明显发振风速约为4~5 m·s^-1，风向接近垂直桥轴线，其面内振动明显大于面外。1^#加劲索面内涡激振动时程分解得到的3个相邻高阶频率时程分量显示，第28阶模态振动加速度随时间的变化，主导了加劲索振动加速度幅值的增大和减小。同时认为，解析模态分解法不仅能较好地分离含有多个密集频率分量的时域信号，且分解得到的分量不改变原信号分量的频率特征，分解分量再合成的信号与原信号时频特征完全一致。因而可采用解析模态分解法分解具有多个密集频率分量的柔性结构响应，能有助于工程结构风致响应的模态参数识别。
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  基于改进尾流振子模型的超长拉索涡激振动特性数值研究

  周旭辉, 韩艳, 王磊, 蔡春声, 廖楚峰

  中国公路学报. 2019, 32(10): 257-265. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.025

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  为了研究大跨度斜拉桥超长拉索在不同流场特性下的高阶多模态涡激振动问题，以牛顿定律为基础，建立了考虑张力变化以及垂度效应的拉索结构振子方程，引入改进的Van Der Pol式尾流振子模型，以加速度耦合两非线性振子，提出了一种简便的拉索涡激振动流固耦合预报模型；采用二阶中心差分法，对两振子方程在空间域和时间域进行离散迭代求解，编制了拉索涡激振动的MATLAB计算程序，并验证了其可靠性。该方法为研究拉索涡激振动提供了一种新思路，可解决风洞试验和数值软件（CFD）不便模拟大长细比拉索结构的问题。基于提出的预报模型，以1根330 m超长拉索为研究对象，分析了拉索多模态涡激振动特性，探讨了不同流场特性对拉索涡激振动的影响。研究结果表明：均匀流作用下，拉索发生涡激锁定现象，以单一模态发生振动，随着风速的增加，拉索涡激锁定区间增大而最大振幅不发生改变；剪切流作用下，拉索发生多模态涡激振动，位移响应呈现"拍"的特点，振动频率分布在Strouhal涡脱频率范围内，存在2个或3个主导频率，主导频率全程参与振动，非主导频率间歇参与振动；拉索多模态涡激振动位移响应表现为行波-驻波并存的状态，随着风剖面指数的增加，涡激振动行波效应显著。
风洞试验技术
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  山区峡谷桥址地形模型过渡段优化

  刘志文, 陈祥艳, 陈政清

  中国公路学报. 2019, 32(10): 266-278. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.026

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  针对山区峡谷桥址地形模型入口边界确定问题，以贵州省湘江特大桥桥址处地形为依托，选择维多辛斯基曲线作为地形模型过渡段的基本曲线形式，采用计算流体动力学方法对不同曲线参数进行计算，并结合关联度权重确定法确定最优过渡段曲线参数。在此基础上设计并制作了几何缩尺比为1：1 500的桥位地形模型，分别进行了有、无过渡段地形模型的风洞试验，对比了地形模型有、无过渡段对桥位桥面高度处横桥向风速、风攻角以及桥梁总长1/4跨、1/2跨、3/4跨风剖面的影响。过渡段曲线的二维数值模拟结果表明：采用最优过渡段可有效降低模型边界后方气流等效风攻角，并最大程度地保持入流风速，减小过渡段后湍流度；设置过渡段后风速场分布特性与入流参考风速场分布特性的一致性较好。地形模型风洞试验结果表明：曲线过渡段使风剖面逐渐抬升，气流过渡平缓，不存在明显的加速效应，剪切层发展较慢；设置过渡段后不同风剖面位置处平均风速较无过渡段时大，湍流强度较无过渡段时低；设置过渡段对桥梁主梁高度处风攻角存在一定的影响，但有、无过渡段时的风攻角变化趋势大致相同；采用优化后的过渡段使风剖面逐渐抬升，减小了"人为峭壁"对地形模型试验结果的影响，主梁高度处横桥向风速总体大于无过渡段时主梁高度处横桥向风速。
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  大跨连续刚构桥下击暴流作用效应试验研究

  辛亚兵, 刘志文, 邵旭东, 陈以荣, 陈政清

  中国公路学报. 2019, 32(10): 279-290. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.10.027

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  为研究大跨连续刚构桥在下击暴流水平风速作用下的风振响应，开发了一套在大气边界层风洞中模拟下击暴流水平风速的试验装置。下击暴流水平风速剖面通过调节置于风洞中的斜板竖向位置与倾角来模拟，下击暴流时间特性通过控制两侧水平开合板运动的速度、角度来模拟。以广东虎门大桥辅航道桥为工程背景，设计并制作几何缩尺比为1：200连续刚构桥最大双悬臂状态气弹模型，进行了下击暴流瞬态风场、下击暴流稳态风场和大气边界层B类风场下连续刚构桥最大双悬臂状态气弹模型风洞试验，对不同风场下桥梁结构风致振动位移响应进行了对比分析。结果表明：采用下击暴流模拟装置在大气边界层风洞中所模拟的下击暴流水平风剖面与下击暴流经验风剖面吻合较好；采用下击暴流模拟装置实现了下击暴流风速时间特性的模拟，所模拟的下击暴流瞬态风场湍流度与目标值总体接近。在下击暴流瞬态风场下桥梁梁端横桥向位移响应时变均方根最大值约为在B类风场下梁端横桥向位移响应均方根值的2.7~6.8倍；在下击暴流稳态风场下桥梁梁端横桥向位移响应时变均方根最大值约为在B类风场下梁端横桥向位移响应均方根值的70%~230%。在下击暴流瞬态风场下桥梁梁端竖向位移响应时变均方根最大值约为在B类风场下梁端竖向位移响应均方根值的2.3~5.3倍；在下击暴流稳态风场下桥梁梁端竖向位移响应时变均方根最大值约为在B类风场下梁端竖向位移响应均方根值的90%~260%。