颤振和驰振是大跨度桥梁抗风设计中需要面对的两种最危险自激失稳现象，但颤振理论至今未能突破基于微幅振动假设的线性理论范畴，不能满足具有现代柔性超大跨度桥梁抗风设计需求，而驰振理论至今也未能摆脱准定常假设，导致对其临界风速和响应幅值的预测严重偏离实际，埋下安全隐患。本项目针对上述问题开展系统研究，取得了如下原创性成果： 研发了小型高精度动态三分量测力天平以及准静态标定方法和系统，提出了能显著降低惯性力成分、提高了自激力测量精度的内置天平同步测力测振方法。建立了节段模型系统非线性瞬幅阻尼比和瞬幅频率（刚度）的时域识别方法，及非线性非风致附加气动阻尼和质量参数识别方法，进一步提高了自激力测量精度。 率先提出了多种宽高比矩形及凹角和切角矩形断面的横风向自激力非定常非线性精细化数学模型，建立了基于能量等效原理的模型参数识别三步最小二乘法，彻底摆脱了准定常假设的束缚。通过对自激力不同成分做功演化规律及其对驰振稳态幅值的影响，揭示了驰振“发生、发展和自限幅”的机理，提出了可精确预测细长钝体结构驰振稳态幅值的非定常自激力统一简化非线性数学模型。研究了凹角和切角措施的减振效果和机理。建立了考虑风速剖面的钝体结构非定常驰振三维非线性分析方法，得到了气弹模型试验验证。从功等效瞬幅阻尼系数随振幅演化规律出发阐明了驰振分岔和在较高风速区消失现象的机理。 通过自激力做功演化规律和稳态响应参数分析，揭示了双边肋梁和半封闭箱梁单自由度非线性扭转颤振的“发生、发展和自限幅”的机理，提出了自激扭矩精细化和简化非线性数学模型，建立了单自由度非线性扭转颤振全桥三维分析理论，得到了全桥气动弹性模型试验验证。 提出了全封闭箱梁弯扭耦合颤振自激升力和扭矩的非线性数学模型，建立了模型参数识别方法，并分析其耦合颤振“发生、发展和自限幅”的机理。建立了弯扭耦合非线性颤振分析的二维两自由度复模态时频混合理论和全桥多自由三维频混合分析理论。 项目研究解决了钝体驰振自激力数学模型的统一、驰振响应精确预测及颤振后非线性位移响应精确预测国际难题，具有前瞻性和创新性，为今后超大跨度桥梁非线性抗风稳定性设计理论奠定了扎实基础。 2100433B

风振失稳包括颤振和驰振等，是对大跨度桥梁危害最大且必须避免的风致振动现象，由于实际桥梁经常具有非流线形断面，其风振失稳都同时具有非定常和非线性特性，没有明显的突然发散临界点，因此，如何合理确其临界风速一直是桥梁风工程领域一个悬而未决的前沿课题。本项目以一系列典型矩形和修角矩形断面以及四种典型中等宽高比非流线形桥梁断面为对象，拟采用内置天平同步测力测振弹簧悬挂节段模型风洞试验、全结构气动弹性模型风洞试验和理论分析研究相结合的方法，探索软颤振和软驰振的非定常自激力非线性机理和全过程能量演化规律；提出适应性好、可靠性高的实用非定常自激力非线性数学模型；并以此为基础，建立大跨度桥非定常风振非线性失稳问题的实用分析理论，以及一种更加合理、切实可行的、基于结构性能的非流线形大跨度桥梁软颤振和软驰振这类非定常风致振动非线性失稳问题的评价体系或临界风速判断准则，具有重要的理论和实际意义。

在桥梁节段模型刚体测压模型风洞试验结果中发现，桥梁主梁节段的气动抖振力与来流脉动的相关性并不是很强，可见现有的线性定常气动抖振力数学模型有较大的局限性。基于运动当量假设，桥梁主梁断面气动自激力的非定常性则从另外角度反映了桥梁抖振力所具有的非定常特性。鉴于现有准定常的线性气动抖振力模型所存在的局限性，本课题提出一种桥梁断面的非定常气动抖振力数学模型，建立大跨度桥梁新的抖振理论体系和分析方法。在将紊流的脉动当量为桥面自身运动的假设前提下，通过桥梁节段模型风洞试验提取非定常抖振力的气动参数。在该桥梁抖振理论分析方法中，综合考虑桥梁主梁断面气动自激力和气动抖振力的非定常特性，抖振分析时不需要考虑气动导纳。基于桥梁主梁断面节段模型风洞试验和CFD数值分析结果，对非定常气动抖振力数学模型和桥梁抖振分析方法的可靠性和适用性进行验证。本课题研究成果对大跨度桥梁抗风设计理论的发展具重要的的理论和实际意义。

本项目围绕重大研究计划的关键科学问题，开展大跨度桥梁结构风致动力灾变效应原型观测与验证的研究。首先，研究大跨度桥梁结构风致动力灾变效应原型观测系统；其次，分析原型观测数据研究桥梁结构风场特性和模型参数及风-雨耦合等效-相流模型；研究大跨度桥梁结构抖振和风雨振等风致动力灾变效应的原型验证方法，分析其一致性和差异性；突破风洞试验技术限制，研究基于整体模态和局部应变原型监测信息的大跨度梁结构气动力和气动参数识别方法，揭示气动力和气动参数的空间相关性、雷诺数效应和湍流尺度效应；发展桥梁结构风雨激振分析方法，揭示雨的作用机理；研究以原型观测的结构振动为边界条件的绕流场CFD数值计算子结构方法，揭示桥梁结构风致灾变及其控制的微观机理，为通过原型观测研究结构风致灾变机理提供有效的方法。本项目研究，将形成大跨度桥梁结构风致动力灾变效应原型观测的理论、方法、技术、系统和原始观测数据，具有重要的科学意义。

应用PIV流场显示技术观测、记录和分析典型桥梁断面的气流绕流特征，辅以CFD计算和测压试验，在细观层面上定量研究桥梁断面周围的旋涡非定常演化规律及其诱导的非定常气动力与桥梁断面运动的非线性关系。然后以此为基础，结合宏观层面研究成果，建立适合于澄清桥梁风振机理的分析方法，并对大跨度桥梁典型断面的风振机理进行深层次的分析和总结。最后应用PIV流场显示技术和风振机理分析方法，对大跨度桥梁颤振和涡振气动控制的机理进行分析和探讨。.目前桥梁风振机理和气动控制机理的研究比较少，且集中在以气动阻尼、振动形态为对象的宏观层面研究，缺乏细观层面研究的现状使得理论框架不完善，难以获取对风振机理的透彻认识，亦难以对应用型研究提供应有的指导和理论支撑。通过将PIV技术应用到桥梁风振研究中去，推动细观层面研究的突破，实现细观、宏观研究成果的结合，无论是在理论框架完善还是工程应用指导上都具有重大意义。 2100433B