1. 课题背景与来源 桥梁是重要的基础设施工程，随着跨度的不断增大，轻质高强材料的在桥梁结构中的广泛应用，桥梁结构柔度越来越大，风敏感性越来越大。大跨桥梁结构的抗风问题逐渐成为影响桥梁结构安全、限制桥梁工程进一步发展的主要因素，成为了大跨桥梁设计中亟需解决的关键问题。 目前，提高大跨桥梁抗风能力的措施通常包括机械措施和气动控制措施。机械措施主要是通过采用一些装置增加结构的刚度、阻尼或适当附加一定质量的重物来降低桥梁的风致响应。机械控制实施效果较好，但装置复杂且价格昂贵，维护成本很高，而且对结构的风致作用规律考虑不足。与机械措施相比，气动控制措施则是更直接的方式，通过直接地改变流场结构实现抗风的目的，这种思路的提出大大地丰富了结构风工程专家进行抗风研究的想象空间。气动控制措施是指通过改变结构断面外形或增设附属装置来改善结构绕流场特性进而抑制风致振动的方法。由于物体的绕流场结构对于物体外形与外界扰动非常敏感，可以通过微小的形状改变或者增设气流扰动装置达到改善结构绕流场特征进而抑制风振的目的。因此，合理的气动控制措施对于削弱结构风致振动有着"四两拨千斤"的功效，在结构抗风领域潜力巨大。 物体表面吸气的方法是一钟典型的气动控制方式，其研究最早针对于提高飞行器升力面的特性，通过外部供给能量对安装在物体表面的吸气装置施加吸气气流，通过吸气气流对绕流风场施加作用，进而改善物体表面绕流流场结构。从吸气方式对物体绕流影响的基本原理来看，研究利用吸气方法改善大跨桥梁空气作用特性，是很有意义的实际问题。 本课题来源于国家自然科学基金面上项目。 2. 技术原理及性能指标 2.1技术原理 采用展向定常吸气抑制桥梁风致振动的原理在于定常吸气能够通过产生顺流向涡对，抑制展向涡的形成和发展，从而有效地抑制桥梁主梁涡振。定常吸气对于绕经桥梁主梁断面的流体有两种作用：通过吸气降低或加速在吸气孔附近的流体顺流向流速，改变流场沿展向分布的平均流速剖面，使得顺流向流速在展向方向呈周期性变化，从而导致展向涡在不同展向位置处的不同步脱落，最终导致展向涡发生扭曲，形成顺流向涡；吸气气流垂直于桥梁主梁表面，使得桥梁表面附近的竖向风速在展向方向呈周期性变化，从而激发顺流向涡对的产生。此外，在前缘靠近分离点处施加吸气，它可以在边界层内产生顺流向涡，从而促使边界层内上下的动量得到交换、增加边界层底层流体动量，使得边界层速度剖面更为饱满，进而起到抑制或延迟边界层分离的作用，可能在一定程度上改善桥梁主梁的颤振稳定性。 2.2性能指标 （1）在单箱梁底部尾缘靠近分离点处施加定常吸气时，时均阻力可减小约10%，脉动气动力可减小90%以上；（2）定常吸气可以有效地降低涡激振动竖向振动和扭转振动振幅，在尾部靠近分离点处施加定常吸气控制效果最好，几乎可以完全抑制涡激振动的发生；（3）定常吸气方法可以有效地提高桥梁主梁的颤振稳定性，颤振临界风速可提高10.5%。 3. 技术的创造性与先进性 技术的创造性与先进性主要体现在以下几方面。 （1）从主动气动控制角度深入全面地研究了定常吸气对于改善断面绕流特征、提高超大跨桥梁抗风性能的流动控制机理，发展了基于定常吸气方式的大跨桥梁主梁抗风方法；（2）提出了箱形主梁定常吸气参数优化原则，建立了大跨桥梁主梁定常吸气设计方法；（3）与传统风振控制技术相比，定常吸气可通过外界供给能量主动改善断面绕流场特性，更直接且更有针对性；该控制方法可兼顾多类型风效应控制，为解决土木工程领域超柔性结构抗风问题提供新的抗风手段。 4. 技术的成熟程度，适用范围和安全性 项目研究成果给出了外置吸气与内置吸气两种技术实现方式，并在小范围内加以应用，并取得了良好的效果，技术较为完善、成熟。该技术不仅可以应用于大跨桥梁，还可应用于大跨屋盖抗风、超高层建筑抗风以及其他柔性结构抗风。此外，从气动控制机理角度出发，该技术对减小高速运输装备的空气阻力也会有明显效果。定常吸气气动控制技术是通过改善空气绕流场进行风效应控制的一项技术，不存在安全隐患。

哈尔滨工业大学

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