基于涡流发生器的大跨桥梁风振控制

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1、国内图书分类号：TU375学校代码：10213国际图书分类号：624密级：公开工学博士学位论文基于涡流发生器的大跨桥梁风振控制博士研究生：陶仕博导师：汤爱平教授申请学位：工学博士学科：防灾减灾及防护工程所在单位：土木工程学院答辩日期：2017年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TU375U.D.C:624DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringWIND-INDUCEDVIBRATIONCONTROLOFLONG-SPANBR

2、IDGESBASEDONVORTEXGENERATORSCandidate：TAOShi-boSupervisor：Prof.TANGAipingAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：DisasterPreventionandReductionEngineeringandProtectiveEngineeringAffiliation：SchoolofCivilEngineeringDateofDefence：June,2017De

3、gree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要近年来，大跨桥梁取得了突飞猛进的发展。随着大跨度桥梁结构跨度增加，桥梁整体结构更加轻柔，对风荷载的作用越来越敏感，极易发生严重的风致振动，损害人民群众的生命财产安全。因此，研究有效地桥梁风振的流动控制方法，对提高大跨桥梁抗风设计水平和服役安全具有重大意义。涡流发生器是在航空工业中一种具有代表性的，并正在深入发展的流动控制技术。在土木工程中尚未见其应用。本文将涡流发生器技术引入到土木工程中

4、，对桥梁风振进行控制，通过进行涡流发生器控制下圆柱模型静力试验、PIV流场显示试验、圆柱模型涡激共振试验、桥梁节段模型涡激共振试验、颤振试验等，本文研究了涡流发生器对桥梁结构流场控制作用和效果。在此基础上深入分析了不同的涡流发生器物理参数、阵列布置方式等对大跨桥梁风振响应的控制机理和效果，为桥梁抗风提供理论与试验支持。本文研发了两种涡流发生器，并结合边界层相关理论系统分析了两类涡流发生器的风振控制原理，将边界层吸气控制方法归纳为一种主动涡流发生器控制方法，从涡量方程的角度对吸气控制方法原理进行了解释。并

5、利用相关的风洞试验进行了相应的验证与模拟。论文主要研究工作如下:1.以斜拉桥和悬索桥为对象，回顾了大跨桥梁结构的发展历史。介绍了大跨桥梁的颤振、涡激共振、抖振和驰振四种风致振动的规律与特性。简要介绍边界层理论与流动控制理论，将目前通用的流动控制方法进行了分类。以此基础上，进一步介绍涡流发生器控制的发展过程。2.为揭示涡流发生器对拉索流场的影响规律，对设置涡流发生器的固定圆柱进行了测压及尾流速度测量试验，通过分析圆柱表面风压变化、圆柱尾流速度分布以及圆柱升力展向相关性，揭示了涡流发生器对静止圆柱周围流场的

6、影响规律。3.为精细化研究涡流发生器对拉索周围流场的影响，使用流体显示技术，在精细风洞试验室内搭建涡流发生器测量试验系统，研究了涡流发生器控制下圆柱绕流场特征。圆柱尾流流场显示试验结果表明，本文设计的涡流发生器对圆柱流场控制效果明显，有效地抑制了圆柱尾流中的旋涡。4.在静力试验的基础上，研究涡流发生器技术控制拉索涡激共振效果，建造了圆柱自由振动试验系统，通过对比研究控制前后圆柱位移幅值、圆柱表面风压分布及表面压力相关性，验证了涡流发生器对拉索涡激共振的控制-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文特性与效果。

7、5.使用主动涡流发生器控制桥梁主梁涡激共振。采用风洞试验方法，以大跨桥梁主梁节段模型为研究对象，研究主动涡流发生器对大跨桥梁主梁涡激共振抑制效果。对比研究不同吸气布置，不同吸气流量下主动涡流发生器对桥梁主梁涡激共振控制效果。并使用数值模拟方法研究了吸气对桥梁气动稳定性的影响。6.使用主动涡流发生器控制大跨桥梁颤振。以大跨桥梁主梁节段模型为试验对象，进行风洞试验。验证了吸气对桥梁颤振的控制效果。在进行颤振临界状态分析的过程中，使用MITD法识别颤振导数。针对求解临界频率与临界风速过程中遇到的非线性方程，将

8、方程的求解过程转化为搜索最优解的问题。在传统萤火虫算法的基础上，结合遗传算法以及量子遗传算法优点，提出一类新的混合型算法。并成功使用此算法搜索颤振临界频率和临界风速。关键词：涡流发生器；大跨桥梁；吸气控制；涡激共振；颤振；风洞试验-II-AbstractAbstractWiththeincreasingofthebridgesspan,thestructuresarebecomingmoreandmoreflexible,andthestr