大跨桥梁主梁涡激振动研究进展与思考

为了模仿

摘要
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，系统梳理了国内外针对该问题的最新进展与前沿热点。首先总结了现场实测、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部分回顾了国内外最新研究进展，最后探讨了主梁涡振研究的发展趋势，包括：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。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、高效/高精度三维全桥涡振性能预测及振动控制等方面尚存在一些技术难题，有较大的细化和深入研究的空间。

引言
随着经济发展及“一带一路”、“亚投行”等战略的持续推进，可预见的数年内，世界各地还将不断涌现更多超大跨度的桥梁，桥梁跨径的增长导致结构刚度不断下降，各类构件对风环境的敏感性急剧增加。这些超大跨度桥梁模态更为密集，常遇风速下涡振潜在发生模态更多，其涡振风险也更高。尽管涡激振动的自限幅特性不会直接导致结构动力失稳破坏，大振幅振动会对行人舒适度、行车安全和构件疲劳寿命等产生危害，影响结构的适用性和耐久性。极端情况下有可能导致结构主要受力构件损伤乃至断裂，诱发结构局部或整体垮塌。大跨桥梁抗风问题尤其是涡激振动问题仍是桥梁工程界迫切需要解决的技术难题与关键科学问题。

涡振研究手段
现场实测
现场实测是桥梁风工程发展的原始驱动力。它通过现场布设风速仪、加速度等传感器，可获取桥梁结构在实际来流条件下的振动现象。现场实测也被看作一种最理想的试验方法。

物理风洞试验
风洞试验通过模拟大气边界层风特性和结构动力行为来模拟涡振过程流固耦合现象，是一种最为普遍的研究手段。风洞试验可采用节段模型或全桥气弹模型开展。

计算流体力学（CFD）
涡激力是尾流动力学性能的某种特殊体现，因此不论是获取尾流样本还是其计算可视化，结合D'Alembert运动学方程的计算流体动力学（CFD）无需引入导致不确定性的额外假定，可完整反映流固耦合的全部特征，是研究大跨度桥梁涡激共振现象与机理的理想工具。

理论分析
由于钝体断面绕流复杂性，难以从流体力学理论出发推导涡激振动解析表达式。实际做法是通过物理风洞试验与理论相结合的方式建立描述主梁涡振行为乃至主梁所受涡激力的半理论半经验数学模型，然后和结构有限元结合并考虑涡激力沿桥梁展向不完全相关特性影响，对三维全桥涡振响应乃至结构疲劳寿命等进行分析计算。

主梁涡振研究进展
涡振发生机理
桥梁断面涡振与圆柱断面涡振存在显著不同。类矩形断面或桥梁断面涡振主要与4种典型涡脱有关：顶端涡脱（LEVS）、尾端涡脱（TEVS）、交错边缘涡脱（AEVS）以及顶端撞击涡脱（ILEV）

涡振影响因素
1、质量-阻尼系数：结构涡振性能受质量-阻尼系数影响显著。研究表明[6]，结构质量-阻尼系数越大，结构涡振振幅越小、锁定区间也越窄。同一质量-阻尼系数下，结构质量比决定了涡振锁定区的大小，而结构机械阻尼比决定了涡振响应的大小。
2、雷诺数: 桥梁断面带有固定分离点，传统观点认为雷诺数效应对桥梁断面气动特性影响较圆柱断面而言可忽略。然而最新研究表明，雷诺数效应会导致断面边界层厚度的变化，其对断面气动特性的影响不能忽略。
3、来流湍流：相对于均匀来流，湍流场下结构涡振性能研究开展较少。传统观念认为，湍流对结构涡振有抑止作用，可偏安全的忽略其影响。由于钝体断面扰流复杂性，湍流对桥梁断面涡振影响机制尚未明确，需借助CFD模拟或基于主动风洞等先进测试手段进一步开展相关研究。
4、附属设施：附属设施会引起桥梁断面绕流特性的改变，某些情况下会造成断面涡振性能与裸桥断面存在较大差别。目前桥梁附属设施设计多与断面气动外形优化结合在一起，即通过试验方式选择最为合适的附属设施外形及位置，从而改善整个断面气动外形，降低结构涡振风险。

涡振分析方法
1、涡激气动力模型：由于钝体断面绕流复杂性，难以从流体力学理论出发推导涡激力解析表达式。实际做法是通过试验与理论结合方式建立描述结构涡振行为乃至主梁所受涡激力的半理论半经验数学模型。现有模型按建模目的可大致分为基于振动行为模拟的涡振经验模型和基于涡激力模拟的实测涡激力模型。涡振经验模型又可根据其形式分为两自由度模型和单自由度模型。
2、全桥涡振性能分析: 涡振试验过程中，必须准确模拟主梁所受附加气弹效应（即Scruton数），不能通过质量修正由节段模型振幅等效实桥振幅。现有做法是通过试验建立涡振过程流体-结构耦合关系模型，然后与结构有限元结合对三维全桥涡振性能进行分析。根据其实现手段，该过程可分为有限元法与振型分解法。

主梁涡振控制技术
1、附加气动控制措施：由于桥梁断面扰流复杂性，各类气动控制措施均不具备涡振控制的普适性效果。实际主梁断面气动外形优化仍采用经验加试验方式，对各类潜在控制措施不断尝试。

2、机械控制措施:  现有桥梁涡振机械控制措施多采用调谐质量阻尼器（TMD）。TMD一般安装至主梁内部，在实际应用过程中受到主梁梁高和内部安装空间的制约。

主梁涡振研究发展趋势
试验和测试技术方面
早期涡振风洞试验较多基于测振和测压方式，较少开展测力试验。一方面受制于测力天平的精度，另一方面由于测量结果中涡激力相较模型惯性力比重较小，难以获得理想涡激力数据。自由振动测压试验过程中由于测压管道影响，模型质量-阻尼系数较大，难以较好模拟主梁振动行为。

理论分析方面
前述提到由于钝体断面扰流复杂性，难以推导涡激力解析表达式。近年来，基于数据驱动和机器学习的人工智能技术被应用于风工程领域。

主梁涡振控制方面
被动气动控制依赖经验加试验方式，对各类潜在控制措施不断尝试，以期找到合适控制方案。近年来提出的主动气动翼板，能够避免被动气动措施不断试错这一过程。吸/吹气控制是主梁涡振控制的另一种方案。针对传统TMD受主梁梁高限制这一局限，近几年出现的惯容装置提供了潜在解决方案。

结论
大跨桥梁涡激振动及控制是现有桥梁抗风设计理论尚未很好解决的关键科学问题。近年来，针对大跨桥梁涡激振动研究虽取得了极大进展，但在现场实测、风洞试验、理论分析、涡振控制等方面仍有许多亟待完善的工作。

meiyongyuandeze

涡激振动其实一直都是工程的热点，但现有的理论还很多可以进一步发展的地方。也可以考虑最近比较活动人工智能与传统涡激振动的建模相联合，也许是一个新的发展方向！