2020年度进展15：桥梁风工程
前言
桥梁风工程的主要研究内容是大跨度桥梁的风致振动、抗风安全性及舒适性。随着土耳其恰纳卡莱大桥（主跨2023m悬索桥）、我国张皋过江通道（主跨2300m悬索桥，如图1所示）、西堠门公铁两用大桥（主跨1488 m吊拉协作体系桥，如图2所示）等超大跨度桥梁的建造，桥梁风工程研究面临新的挑战。如何确保超大跨度桥梁的抗风稳定性，同时规避危害行车的涡激振动？如何更为准确地把握风荷载？面对这些桥梁设计中迫切需要解决的实际问题，需要桥梁风工程研究者在抗风计算理论和抑振技术上不断创新。
继《2019年度进展:桥梁风工程》发布以后，本文聚焦桥梁颤振、桥梁涡激振动和桥梁抖振等桥梁抗风设计关键问题，通过对2020年国内外本领域相关主流期刊（包括Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics、Journal of Fluids and Structures、Journal of Sound and Vibration、Computers and Structures、Engineering Structures、Wind and Structures、土木工程学报、中国公路学报、振动与冲击等）论文的检索，简要评述桥梁风工程领域的研究动态及发展趋势。限于水平、篇幅和时间，本文内容难免存在疏谬，请读者谅解指正。
图1 张皋过江通道南汊悬索桥
（效果图，中交公路规划设计院有限公司提供）
图2 西堠门公铁两用大桥
（效果图，中铁大桥勘测设计院集团有限公司提供）
01
大跨度桥梁颤振研究
2020年关于大跨度桥梁颤振的研究进展主要包括：（1）大跨度桥梁颤振性能的提升措施；（2）非线性颤振的研究；（3）传统颤振的精细化计算。
在颤振性能提升措施的研究方面，Sangalli和Braun[1]采用二维LES模型，提出了一种流固耦合模型，并在此基础上开展了带分离式主动翼板的流线型箱梁颤振控制研究。Zhuo等[2]研究了主动结合式气动翼板对提升流线型箱梁颤振性能的影响。Bera和Chandiramani[3]提出了一种基于梁体内旋转质量阻尼器和梁外分离式气动翼板相结合的颤振性能提升措施（见图3）。孙延国等[4]以杨泗港长江大桥为背景，研究了上下桥面中央稳定板和水平翼板对提升颤振性能的有利作用。周强等[5]研究了边箱钢-混叠合梁的颤振特性，并发现中央稳定板对于提高其颤振临界风速作用有限，而水平导流板与裙板组合气动措施的提升作用效果明显。唐浩俊等[6]研究了不同形式的下稳定板对某桁架梁悬索桥颤振性能的影响，发现分离式竖向稳定板效果最好。Bai等[7]基于风洞试验提出了一种可提升倒梯形箱梁断面颤振和涡振性能的封闭防撞栏杆的措施。Sun等[8]研究了某超大跨度双层桁架梁悬索桥的颤振性能和提升颤振临界风速的措施。Mei等[9]研究了不同高度中央稳定板对提升流线型箱梁颤振性能作用和机理。
图3 结合梁内旋转质量阻尼器和梁外分离式气动翼板的组合措施示意图[3]
在非线性颤振计算方法的研究方面：Li等[10]基于长短期记忆神经网络提出了一种描述不同断面非线性自激力的模型，并开展了极限环振动的预测。Gao等[11]提出了一种能够表述二维耦合颤振的非线性气动力模型，并开展了非线性颤振预测研究。Zhang等[12]开展了颤振后计算并提出了一种量化桥梁颤振后性能的评估方法。Wu等[13]研究了竖向运动对桁架梁断面软颤振性能的影响。Yuan等[14]研究了不同外界激励引起的初始条件对二维矩形断面非线性颤振的影响。Wu等[15]研究了某桁架梁非线性颤振中出现的迟滞环效应，并对其机理进行了解释（见图4）。Zhou等[16]研究了不同紊流条件下竖向稳定板对闭口箱梁非线性颤振的影响。Li等[17]提出了利用深度长短周期网络的降阶模型描述桥梁非定常气动力的方法。Wang等[18]提出了可用于颤振和涡振过程中非线性气动力描述的振幅依存性模型。Xu等[19]提出了用于桥梁非线性气动力的描述函数模型和量化颤振后性能的颤振后因子。Zhu等[20]综述了大跨度桥梁非线性颤振的研究进展、未来应用和研究挑战（见图5）。
图4 桁架梁总阻尼比（含非线性气动阻尼）随扭转幅度而变化情况[15]
图5 颤振后过程中非线性气动力矩不同谐波分量做功的时间历程
在颤振精细化计算和颤振风速预测的研究方面，张新军等[21]通过某悬索桥施工阶段的颤振精细化计算，指出静风效应和风速空间非对称分布因素对颤振稳定性影响较大，应充分考虑。Chen等[22]在现有的SBS颤振分析理论基础上，提出了一种表述更加简洁的修正SBS分析方法。Lin等[23]基于Lighthill气动力模型提出了一种可用于大跨度桥梁初步设计阶段的颤振计算方法，并基于风洞试验进行了验证。Tao等[24]开展了桥塔刚度和主缆矢跨比对四塔悬索桥颤振临界风速的影响研究。
综上可见，由于颤振是制约桥梁向更大跨度发展的首要因素，业界对颤振性能提升的研究持续活跃，非线性颤振计算理论及设计准则的研究则成为近年的新热点。由于传统颤振计算理论已趋于成熟，计算精细化的研究主要围绕如何更细致地考虑各种影响因素。除了上述三个方面之外，一些学者在桥梁颤振的不确定分析方面开展了相关研究。如Fang等[25]研究了试验中颤振导数的不确定性以及在颤振计算可靠度中的应用。Ji等[26]开展了气动力和结构不确定性条件下桥梁颤振的可靠度研究。这些研究有助于发展基于可靠度的抗风设计方法。还有学者基于机器学习方法开展了颤振临界风速的预测工作，如Rizzo等[27]提出了一种基于神经网络的颤振临界风速预测方法，Abbas等[28]提出了一种利用人工神经网络预测颤振风速的方法，Liao等[29]采用4种机器学习方法(包含人工神经网络)开展了任意气动外形的流线型箱梁颤振临界风速的预测研究并取得了较好的结果（如图6所示），这些研究成果表明人工智能技术应用于解决桥梁颤振复杂问题具有光明前景。
图6 基于机器学习方法获得颤振临界风速，(a)神经网络结构，（b）不同方法获得颤振临界风速的比较[29]
02
大跨桥梁涡振研究
桥梁主梁涡激振动的主要危害在于影响行车舒适性及行车安全性，桥梁构件的涡激振动则会导致结构疲劳，因而桥梁涡激振动一直是桥梁风工程的研究重点，2020年上半年虎门大桥等大跨度桥梁涡激振动事件进一步推升了桥梁涡激振动研究的热度。本年度桥梁涡振方面的研究进展主要集中两方面：（1）涡激振动理论模型；（2）主梁及其它桥梁构件的涡振特性和涡振控制。
在涡振理论模型方面，诸多学者着手从气动阻尼的角度建立涡振分析模型。Zhang等[30]针对涡振研究中常见的5种气动阻尼模型，利用二维矩形断面和三维气弹圆柱对比分析了各模型的精度及适用范围（见图7）。Gao等[31]指出扭转涡振和软颤振具有相同的非线性阻尼机理，将用于颤振分析的非线性自激力模型进一步扩展至解释扭转涡振问题。Wang等[32]提出了一种可描述涡振和耦合颤振的非线性自激力模型。Noguchi等[33]提出了在CFD中利用强迫振动识别颤振导数进而计算涡振振幅的方法。Xu等[34]对比分析了几种单自由度涡激力经验模型的精度，指出对模型中气动阻尼项的模拟越准确，对涡振的预测精度越高。此外，Pagnini等[35]提出了基于Scruton数计算涡振锁定区间及振幅的简化频域分析方法。
图7 基于不同涡振模型的气动阻尼[30]
在主梁的涡振特性及涡振控制方面，潘韬等[36]研究了分体式三箱梁涡振性能及抑振措施。马凯等[37]研究了双幅5:1矩形断面的涡振性能。温青等人研究了节段模型端部边界条件及长宽比对涡激振动的影响等[38]，优化了用于高阶模态涡振试验的多点弹性支撑梁气弹模型试验方法[39]。Cao等[40]改进了某大跨度悬索桥的动态监测系统，提出了涡激振动舒适性分级预警机制，并通过实测数据分析了涡振识别及预测系统的精度。Bai等[41]研究了不同宽高比的п型叠合梁的涡振性能，对比了风嘴、L型裙板等气动措施的抑振效率。Zhang等[42]研究了箱型边主梁叠合梁桥的涡振性能，提出了微型三角形风嘴气动措施。Bai等[7]提出了按照不同的规则封闭栏杆来提高大跨度桥梁颤振和涡振性能的气动措施（见图8a）。Zhan等[43]利用波浪形栏杆对尾流造成的三维扰动来抑制主梁涡振（见图8b）。胡传新等[44]研究了栏杆抑流板抑制流线型箱梁涡激振动的机理。Yang等[45]进一步研究了自喷流装置在不同风攻角下对主梁涡振的抑制效果。王修勇等[46]研究了单面碰撞调谐质量阻尼器（SS-PTMD）抑制主梁涡激振动。Dai等[47]用等效阻尼比来表征TMD对涡振抑制的贡献，并通过鲁棒性分析发现自由振动设计方法的失效概率最小。对于斜拉索等构件，Liu等[48]指出实际桥梁的斜拉索均呈微椭圆形，并通过风洞试验研究了微椭圆斜拉索的气动性能。刘宗杰等[49]基于现场监测数据分析了某跨长江特大桥拉索涡激振动问题。Chen等[50]通过表面测压试验分析自喷流装置对圆柱涡激振动的影响。陈东阳等[51]基于尾流振子模型和遗传算法，引入非线性能量阱（NES）减振装置，建立了用于抑制柱体结构涡激振动的仿真模型。Alvarez等[52]在考虑分体双箱梁的三维特性的基础上，采用LES方法对其气动特性和涡振性能进行了数值模拟研究。Zhou等[53]采用DDES模型，研究了分体双箱梁的气动特性和涡振性能，并分析了其尾流结构以揭示间距对断面气动特性的影响机理（见图9）。Noguchi等[54]采用强迫振动方法识别闭口钢箱梁断面气动导数，分析了气动阻尼特性，在此基础上采用解析方法预测了断面的涡振振幅。
(a) 部分封闭防撞栏杆抑振措施示意图[7]
(b) 弧形栏杆抑振措施示意图[43]
图8 控制涡振的栏杆措施
图9 不同间距下分体双箱梁周围的瞬时涡量场[53]
03
大跨桥梁抖振研究
2020年关于大跨度桥梁抖振的研究进展主要包括：（1）桥梁主梁抖振响应精细化分析；（2）极端及特异风场中桥梁抖振响应预测。
关于抖振响应精细化分析，Lystad等[55]提出了一种用于考虑湍流不确定性对桥梁抖振响应影响的概率模型（见图10）。Diana和Omarini[56]通过时域抖振分析研究了作用于桥梁主梁气动力的非线性效应。Solari和Martín[57,58]基于本征正交分解法给出了细长结构在任意振型下气动导纳的一般形式闭合解。Liu等[59]以太洪长江大桥为例，对抖振引起的桥梁主梁应力及疲劳破坏进行了研究。Wang等[60]利用风洞试验研究了具有不同开槽宽度双箱梁的气动导纳及抖振力相关性。Zhou等[61]考察了典型桥梁断面的抖振力在不同格栅湍流场中的相关性。沈正峰等[62]研究了气动力沿展向变化条件下不同槽宽比双箱梁的抖振响应特性。Jian等[63]通过风洞试验研究了斜风作用及桥塔干扰条件下大跨度斜拉桥施工期主梁抖振响应。雷永富等[64]通过风洞试验对宽幅混合梁斜拉桥的抖振性能进行了研究。向丹等[65]基于主动格栅脉动流场研究了典型钝体断面的抖振力及其相关性。
图10 主梁跨中横桥向抖振加速度响应均方根测量值与实测值：a)西风向；b)东风向[57]
关于极端及特异风场下桥梁抖振响应预测，Tao等[66]针对以时变台风谱和相干性为输入条件的桥梁抖振响应进行了深入分析。Shen等[67]研究了位于喇叭口形状峡谷中不同来流风向下的桥梁抖振响应。Wu等[68]提出了一种适用于山地城市大跨度桥梁的抖振时域分析方法。Yan等[69]通过现场实测研究了台风作用下大跨度桥梁施工期主梁的抖振响应。除以上两个方面外，一些学者在桥梁抖振设计及振动控制方面取得了新的进展。Montoya等[70]提出了一种同时兼顾桥梁主梁结构特性和气动特性的数值分析方法（见图11所示）。Phan[71]通过数值分析和风洞试验研究了气动翼板对桥梁抖振和颤振的控制作用。Yan等[72]通过设置斜向抗风缆对施工期斜拉桥的竖向和扭转抖振响应进行控制，并取得了良好的抑振效果。
图11 基于最大加速度根方差的可行设计域的定义[71]
04
研究热点与展望
（1）随着超大跨度桥梁设计建造的推进，建立表征各类风致振动的非线性气动力模型（多聚焦于非线性气动阻尼）和分析方法、从流动特性深入探究流固耦合作用机理是桥梁风工程领域的重点研究内容。同时，还需创新更为经济有效的风振控制技术、气动性能优良的桥梁外形及结构形式等，以适应超大跨度桥梁的发展。
（2）随着人工智能技术的发展，基于数据驱动思路的桥梁风工程与人工智能的交叉研究成为本领域的热点。
（3）目前下击暴流、龙卷风等特异风场特性及其对桥梁结构作用的研究还较少，亟待进一步深入研究，进而丰富、完善桥梁抗风设计理论。
作者简介
廖海黎，博士，二级教授，博导，风工程四川省重点实验室主任，桥梁风工程学术带头人。从事桥梁风工程科研及教学30余年，主要研究方向为大跨度桥梁抗风理论及工程应用、结构风致振动控制、桥梁风洞试验技术。主持完成国家级及重大工程科研项目百余项，获得国家科技进步二等奖1项、国家教学成果二等奖1项。
邮箱：hlliao@swjtu.edu.cn
主页：https://faculty.swjtu.edu.cn/liaohaili/zh_CN/index.htm
李明水，博士、教授、博导、风工程四川省重点实验室副主任。主要研究方向为桥梁结构抗风和钝体空气动力学。兼任国际风工程学会（IAWE）执委、土木工程学会风工程专委会副主任委员，以及多本国内期刊编委。
邮箱：lms_rcwe@swjtu.edu.cn
主页：https://faculty.swjtu.edu.cn/limingshui/zh_CN/index.htm
马存明，博士、教授、博导。长期致力于桥梁结构动力学、空气动力学及结构振动控制等领域的理论与实践研究，主要研究方向是桥梁风工程和桥梁振动控制，主要研究成果在诸如港珠澳大桥、南沙大桥等数十座重大工程中得到了应用，并获国家科技进步奖1项，省部级奖励5项，参编《桥梁风洞试验指南》等行业规范/指南2套。
邮箱：mcm@swjtu.edu.cn
主页：https://faculty.swjtu.edu.cn/macunming/zh_CN/index.htm
王骑，博士、副教授、博导。长期致力于大跨度桥梁抗风领域的理论与实践研究，尤其是桥梁非线性气动力和非线性气动弹性行为方面的研究。担任《Journal of Bridge Engineering》、《Wind and Structures》、《Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics》等国际期刊以及《中国公路学报》、《振动与冲击》等国内期刊的审稿专家，获得国家科技进步二等奖1项。
邮箱：wangchee_wind@swjtu.edu.cn
主页：https://faculty.swjtu.edu.cn/wangqi/zh_CN/index.htm
孙延国，博士、副教授、硕导。主要致力于大跨桥梁涡振分析理论、风致振动控制、风洞试验技术等领域的研究。主持国家自然科学基金1项，四川省科技计划项目1项，主研国家自然科学基金8项。发表SCI、EI论文20余篇。获四川省科技进步一等奖1项，中国中铁股份有限公司科技进步一等奖1项。担任《Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics》、《中国公路学报》等多个学术期刊审稿人。
邮箱：ygsun@swjtu.edu.cn
主页：https://faculty.swjtu.edu.cn/sunyanguo/zh_CN/index.htm
周强，博士、副教授、硕导。主要研究方向为桥梁与结构风致振动及其控制、流固耦合机理、特异风特性及其作用等，主持国家自然科学基金项目2项、四川省科技计划项目1项、桥梁结构抗风技术交通行业重点实验室开放课题1项，发表SCI、EI论文20余篇。兼任《Physics of Fluids》、《Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics》、《振动工程学报》等多个学术期刊审稿人。
邮箱：qzhou85@swjtu.edu.cn
主页：https://faculty.swjtu.edu.cn/zhouqiang/zh_CN/index.htm
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