大跨橋梁風效應的渦動力學機理與控制

1、項目名稱：大跨橋梁風效應的渦動力學機理與控制推薦單位：哈爾濱工業(yè)大學項目簡介：我國大跨橋梁數(shù)量世界第一，纜索承重橋梁是大跨度橋梁最主要的 橋型。纜索承重大跨度橋梁柔性大、阻尼小，是風敏感結構，易產生多 類復雜風效應，甚至導致橋梁破壞倒塌，嚴重威脅橋梁安全與服役狀態(tài)。橋梁結構風效應本質上是由鈍體繞流，并由此產生的流動分離和旋 渦運動誘發(fā)的。旋渦是流體運動的肌腱，對橋梁結構風效應具有決定性 作用。但大跨度橋梁因氣動外形復雜、風場不均勻和三維流固耦合效應， 橋梁結構渦動力行為及其機理是橋梁風工程領域長期面臨的難題。本項 目針對纜索承重大跨度橋梁主梁和拉索兩類生命線構件風效應，在國內 外率先發(fā)現(xiàn)了其旋

2、渦時空分布等渦動力學行為和旋渦與結構振動耦合 作用機理，提出了基于渦動力學的橋梁結構風效應控制原理和方法，形 成了橋梁結構渦動力學及其控制理論。重要科學發(fā)現(xiàn)如下：1.大跨度橋梁分離式主梁風效應渦動力學行為與機理。發(fā)現(xiàn)了分離 式雙箱梁繞流場空隙旋渦、多旋渦共存及其空間分布特征、以及空隙流 動模態(tài)突變等獨特的渦動力行為，得到了箱梁間流態(tài)突變的臨界空隙 比，揭示了分離式箱梁獨特渦動力行為形成機理；發(fā)現(xiàn)了分離式雙箱梁 渦激振動全過程渦動力行為（旋渦形成、分布、相互作用、時空演化規(guī) 、 說二-z 女、電日 落1 & 匕 JIA二& 4么匕 M zi以 V W 蟲Tin :二二& a 日拉索高階多模態(tài)渦激

3、振動，發(fā)現(xiàn)了剪切流場誘發(fā)斜拉索尾流旋渦脫落頻 率軸向非一致性、行波效應與梯階鎖定特征，提出了斜拉索多模態(tài)渦激 振動參與模態(tài)預測方法；揭示了長期服役下斜拉索腐蝕和力學性能演化 規(guī)律，建立了單絲強度概率分布與斜拉索承載力之間關系模型，提出斜 拉索全壽命承載力評價方法。3.基于渦動力學的橋梁風效應流動控制原理和方法。提出了分離式 雙箱梁渦激振動間隙擾動方法，揭示了其空隙旋渦擾動的控制原理；提 出了斜拉索尾流旋渦主/被動吸吹氣控制方法，揭示了其抑制斜拉索尾 流旋渦交替脫落的非對稱模式、降低斜拉索平均阻力和脈動升力、進而 減小斜拉索風效應的原理。上述成果共發(fā)表學術論文60余篇，其中SCI 17篇，獲國家

4、專利4 項。研究成果得到了中國工程院院士陳政清教授、國際橋協(xié)主席葛耀君 教授、國際風工程學會Davenport獎和ASCE Scanlan獎獲得者徐幼麟 教授、ASCE和IABSE會士 Hernandez教授、意大利博洛尼亞大學校長 Ubertini教授等國內外著名學者的引用和高度評價。以聶建國院士為評 價委員會主任的中國公路學會評價斜拉索風雨振水線與旋渦脫落的耦 合作用機理、分離式雙箱梁渦激振動機理等方面的研究成果達到國際領 先水平。項目成員擔任國際結構控制與監(jiān)測學會理事長、中國振動工程 學會結構抗振控制與健康監(jiān)測專業(yè)委員會主任委員，中國公路學會橋梁 和結構工程分會副理事長和理事。主要完成人

5、情況表姓名排名技術職稱工作單位對本項目主要學術貢獻：曾獲科技獎勵李惠1教授哈爾濱工業(yè)大學對本項目重要科學發(fā)現(xiàn)1-3均作出了重要貢獻，且是第二至第 五、第八完成人的博士生導師：（1）與第二、第三、第六、第 八完成人合作研究了大跨橋梁分離式雙箱梁渦激振動渦動力學 行為特征與機理，并合作提出了基于間隙擾動的分離式雙箱梁 渦激振動的控制方法；（2）與第二、第六、第八完成人合作研 究了大跨橋梁拉索風雨激振與多模態(tài)渦激振動特性與機理，并 與第二、第五、第七完成人合作提出了橋梁結構主被動吸吹氣 流動控制方法，與第四完成人提出了拉索風致疲勞承載力評定 方法；（4）是所有代表性論文的作者，且是代表性論文1-5的

6、 通訊作者。（1）大型橋梁結構健康監(jiān)測數(shù)據(jù) 挖掘與安全評定關鍵技術-國家科 技進步二等獎-2018-第一；（2）結 構振動控制與應用-國家科技進步 獎-二等獎-2013-第二（該獎勵 2009年獲教育部科技進步一等 獎）；（3）重大工程結構的健康監(jiān) 測集成系統(tǒng)與應用-國家科技進步 獎-二等獎-2007-第二；（4）國道 205線濱州黃河公路大橋工程綜 合技術研究-國家科技進步獎-二 等獎-2006-第二；（5）添加納/微 米材料的高性能智能混凝土與結 構-教育部自然科學一等獎-2012- 第一；（6）結構健康監(jiān)測數(shù)據(jù)驅動 科學與工程的理論及方法-黑龍江省自然科學一等獎-2015 -第一。陳文禮

7、2教授哈爾濱工業(yè)大學對本項目重要科學發(fā)現(xiàn)1-3均作出了重要貢獻：（1）與第一完 成人合作研究了間隙間距對分離式雙箱梁繞流場的影響規(guī)律；（2）與第一、第六完成人合作發(fā)明了斜拉索水線超聲檢測技術、 揭示了風雨激振機理；并與第一、第八完成人合作揭示了剪切 流下斜拉索多模態(tài)渦激振動特征與機理；（3）與第一、第三、 第六完成人一起合作提出了基于渦動力學的分離式雙箱梁渦激 振動的間隙擾動控制方法；并與第一、第五、第七完成人合作 提出了橋梁結構主被動吸吹氣流動控制方法；（4）是代表性論 文1，3-5, 7，8的作者，且是代表性論文7，8的通訊作者。（1）中國振動工程學會-青年科技 獎-2018-第一；（2）

8、基于實測和精細數(shù)值模擬的 臺風風工程論證技術和應用-中國 氣象學會氣象科學技術進步成果 獎一等獎-2018-第四賴馬樹金3副教授哈爾濱工業(yè)大學對本項目重要科學發(fā)現(xiàn)1，3均作出了重要貢獻：（1）與第一、 第二、第六、第八完成人合作揭示了大跨橋梁分離式雙箱梁繞 流場及渦激振動渦動力學行為特征與機理；（2）與第一、第二、 第六完成人合作提出了基于渦動力學的分離式雙箱梁渦激振動 的間隙擾動控制方法，取得了很好的控制效果；（3）是代表性 論文1，2的作者。結構健康監(jiān)測數(shù)據(jù)驅動科學與工 程的理論及方法-黑龍江省自然科 學一等獎-2015-第五。蘭成明4副教授北京科技大學對本項目重要科學發(fā)現(xiàn)2作出了重要貢獻

9、：（1）與第一完成人 合作發(fā)現(xiàn)了拉索風致疲勞與腐蝕導致其強度降低的兩個重要因 素，并提出了拉索風致疲勞承載力評定方法；（2）是代表性論 文6的通訊作者。無高東來5博士哈爾濱工業(yè)大學對本項目重要科學發(fā)現(xiàn)3作出了重要貢獻：（1）與第一、第二 完成人合作，提出了被動吸吹氣流動控制方法，解決了該項研 究中的實驗技術難題，準確獲取繞流場信息，并以此進行了數(shù) 據(jù)分析，合作研究得到了被動吸吹氣流動方法對斜拉索繞流場 和氣動力的控制規(guī)律；（2）是代表作8的作者。無李鳳臣6教授中山大學對本項目重要科學發(fā)現(xiàn)1，2均作出了重要貢獻：（1）與前三、 第八完成人一起合作揭示了大跨橋梁分離式雙箱梁渦激振動渦 動力學行為特

10、征與機理，并提出合作提出了基于渦動力學的分 離式雙箱梁渦激振動的間隙擾動控制方法；（2）與第一、第二 完成人合作發(fā)明了斜拉索水線超聲檢測技術、揭示了風雨激振 水線運動與拉索振動同頻鎖定機理；（3）是代表性論文1，4的 作者。復雜流體湍流流動與換熱機理研 究及工程應用-黑龍江省自然科學 一等獎-2014-第一；跨尺度湍流及 水力機械內復雜流動機理研究-黑 龍江省自然科學二等獎-2016-第 五辛大波7教授東北林業(yè)大學對本項目重要科學發(fā)現(xiàn)2作出了重要貢獻：（1）與第一、第二 完成人合作提出了橋梁結構主動吹氣流動控制方法，解決了該 項研究中的實驗技術難題，并以此進行了數(shù)據(jù)分析，合作研究 得到了主動吹

11、氣流動方法對斜拉索渦激振動及其氣動力的控制 規(guī)律；（2）是代表性論文7的作者。無張強強8教授蘭州大學對本項目重要科學發(fā)現(xiàn)1，2均作出了重要貢獻：（1）與第一、 第三完成人一起合作揭示了大跨橋梁分離式雙箱梁渦激振動渦 動力學行為特征與機理；并與第一、第二完成人合作揭示了剪無切流下斜拉索尾流旋渦脫落頻率展向的非一致性與臺階式鎖定 特征，解決了研究中實驗技術和現(xiàn)場測量難題，并以此進行了 數(shù)據(jù)分析，合作揭示了多模態(tài)渦激振動機理和分離式雙箱梁繞 流場渦動力學特征；（2）是代表性論文1，5作者。代表性論文專著目錄序號論文、專著名稱/刊名/作者影響因子年卷頁碼年（卷）:頁碼發(fā)表年月通訊作者/第一作者（中文名

12、）1Shujin Laima, Hui Li*, Wen-Li Chen, Feng-Chen Li. Investigation and control of vortex-induced vibration of twin box girders, Journal Fluids and Structures,2.4342013, 39:205-2212013李惠/賴馬樹金2Hui Li*, Shujin Laima, Qiangqiang Zhang, Na Li, Zhiqiang Liu, Field monitoring and validation of vortex-induce

13、d vibrations of a long-span suspension bridge, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2.6892014, 124:54-672014李惠/李惠3Wen-Li Chen, Hui Li*, Hui Hu, An Experimental Study on the UnsteadyVortices and Turbulent Flow Structures around Twin-Box-Girder Bridge2.6892014, 132:27-362014李惠/陳文禮De

14、ck Models with Different Gap Ratios, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,4Feng-Chen Li, Wen-Li Chen, Hui Li*, Rui Zhang. An ultrasonic transmission thickness measurement system for study of water rivulets characteristics of stay cables suffering from wind-rain-induced vibration,

15、Sensors & Actuators A: Physical,2.3112010, 159(1):12-232010李惠/李鳳臣5Wen-Li Chen, Qiang-Qiang Zhang, Hui Li*, Hui Hu, An experimental investigation on vortex induced vibration of a flexible inclined cable under a shear flow, Journal of Fluids and Structures,2.4342015, 54:297-3112015李惠/陳文禮6蘭成明，李惠，鞠楊.平行鋼絲拉索承載力評定，土木工程學 報2013, 46(5):31-382013蘭成明/蘭成明7Wen-Li Chen*, Da-Bo Xin, Feng Xu, Hui Li, Jin-Ping Ou, Hui Hu. Suppression of vortex-induced vibration of a circular cylinder using suction-based flow