大跨度桥梁拉索风效应与流动控制

　　大跨度缆索承重桥梁的柔性索结构（悬索桥吊索、斜拉桥斜拉索等）因刚度小、阻尼低，易发生复杂风致振动，影响桥梁服役性能和运营安全。因此，探索柔性索结构复杂风致振动的动力特征与机理以及发展适应工程应用的有效控制方法，具有重要的科学意义和工程应用价值。本书综合采用风洞试验、计算流体力学数值模拟、理论建模、现场监测等方法，系统研究了大跨度桥梁斜拉索多模态涡激振动、大跨度桥梁斜拉索风雨激振以及悬索桥桥塔尾流区吊索风致振动，提出主动、被动流动控制方法来抑制柔性索结构的复杂风致振动。本书可供桥梁工程、风工程等领域的科研、设计和施工人员参考，也可供高等院校土木工程、风工程、航空工程、船舶与海洋工程等相关专业的教师和研究生阅读。

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目　　录
第1章　大跨度缆索承重桥梁拉索风致振动 1
1.1　引言 1
1.2　大跨度桥梁概述 1
1.2.1　斜拉桥 1
1.2.2　悬索桥 2
1.3　拉索风振 3
1.3.1　涡激振动 3
1.3.2　驰振与尾流驰振 5
1.3.3　风雨激振 7
1.3.4　抖振 8
1.4　拉索风振控制 8
1.4.1　机械措施 9
1.4.2　气动措施 14
1.4.3　结构措施 16
1.5　小结 17
参考文献 17
第2章　流体力学基础 19
2.1　引言 19
2.2　无黏流体力学 19
2.2.1　理想流体 19
2.2.2　流场描述与涡量、环量 19
2.2.3　无旋流与速度势 21
2.3　黏性流体动力学 22
2.3.1　流体的黏性 22
2.3.2　牛顿流体与非牛顿流体 23
2.3.3　流体边界层 23
2.4　流体力学基本方程 25
2.4.1　雷诺输运方程 25
2.4.2　流体动力学积分型控制方程 27
2.4.3　流体动力学微分型控制方程 29
2.4.4　黏性流体本构方程 32
2.4.5　纳维-斯托克斯方程 35
2.5　湍流流动简介 36
2.5.1　湍流的概念与特性 36
2.5.2　转捩过程 37
2.5.3　层流稳定性与奥尔-索末菲方程 37
2.5.4　湍流连续方程与雷诺方程 39
2.6　相似律与无量纲参数 41
2.6.1　相似律 41
2.6.2　无量纲参数 42
2.7　小结 43
参考文献 43
第3章　风环境与风荷载 44
3.1　引言 44
3.2　大气环流及大气边界层 44
3.2.1　风的成因 44
3.2.2　风力等级 46
3.2.3　大气边界层 47
3.3　近地风特性 48
3.3.1　平均风特性 48
3.3.2　脉动风特性 51
3.4　钝体绕流与风荷载 54
3.4.1　边界层的形成 54
3.4.2　边界层的分离与再附 54
3.4.3　雷诺数效应 56
3.4.4　静力风荷载的三分力系数 57
3.5　小结 58
参考文献 59
第4章　大跨度桥梁斜拉索多模态涡激振动 60
4.1　引言 60
4.2　斜拉索多模态涡激振动的CFD数值模拟研究 61
4.2.1　数值计算模型 61
4.2.2　斜拉索涡激振动的时频特性 66
4.2.3　斜拉索涡激振动的气动力特性分析 69
4.2.4　斜拉索涡激振动的尾流特性分析 70
4.3　斜拉索多模态涡激振动的风洞试验研究 74
4.3.1　风洞试验模型 74
4.3.2　斜拉索单模态涡激振动 76
4.3.3　斜拉索多模态涡激振动 83
4.4　斜拉索多模态涡激振动的现场监测 92
4.4.1　 某大跨度斜拉桥斜拉索风与风效应健康监测系统 92
4.4.2　斜拉索风致振动特征 93
4.4.3　斜拉索振动特征与来流风特征的关系 95
4.5　小结 101
参考文献 101
第5章　大跨度桥梁斜拉索风雨激振 103
5.1　引言 103
5.2　风雨激振水线几何动力特征及其与拉索同频共振机理 105
5.2.1　斜拉索风雨激振水线的超声波测量 105
5.2.2　基于同频共振的拉索风雨激振水线运动方程 108
5.3　斜拉索风雨激振绕流场特征及其气-液-固三相同频耦合机理 113
5.3.1　风雨激振试验模型与工况 113
5.3.2　风洞试验结果 114
5.3.3　斜拉索风雨激振尾流场特征 120
5.3.4　斜拉索风雨激振气-液-固三相耦合共振机理 123
5.4　斜拉索多模态风雨激振特征及其机理 124
5.4.1　斜拉索多模态风雨激振的试验布置 124
5.4.2　斜拉索多模态风雨激振的振动特性 127
5.4.3　基于计算机视觉识别的风雨激振水线三维几何特征和运动规律 132
5.4.4　斜拉索风雨激振的尾流特征与激振机理：分离泡破碎 139
5.5　斜拉索风雨激振CFD数值模拟子结构方法 144
5.5.1　CFD数值模拟子结构方法 144
5.5.2　斜拉索风雨激振的三维CFD数值模拟子结构方法 145
5.6　某大桥1斜拉索风雨激振的现场监测 156
5.6.1　台风作用下桥址风场特性分析 156
5.6.2　台风作用下斜拉索风致振动响应特征和机理分析 157
5.7　某大桥2斜拉索风雨激振的现场监测 160
5.7.1　斜拉索振动特性分析 160
5.7.2　斜拉索振动风况分析 164
5.8　小结 166
参考文献 167
第6章　悬索桥桥塔尾流区吊索风致振动 169
6.1　引言 169
6.2　桥塔尾流区吊索风致振动特征研究 170
6.2.1　试验模型及布置 170
6.2.2　桥塔尾流区内吊索大幅度风致振动机理 172
6.2.3　桥塔尾流特征及吊索振动响应 174
6.3　桥塔尾流区吊索风致振动与碰撞机理研究 183
6.3.1　CFD计算模型 183
6.3.2　桥塔尾流场分析 185
6.3.3　吊索运动及碰撞分析 187
6.4　桥塔尾流区三维吊索尾流致振动 192
6.4.1　吊索控制方程 192
6.4.2　桥塔尾流区三维吊索气动力 196
6.4.3　桥塔尾流区三维吊索风振算例 196
6.4.4　小结 200
6.5　工程应用——某大桥桥塔尾流致吊索振动分析 200
6.5.1　季风下桥塔区吊索振动特性分析 200
6.5.2　台风下桥塔区吊索振动特性分析 205
6.6　小结 208
参考文献 209
第7章　柔性索结构流动控制 210
7.1　引言 210
7.2　主动吸吹气流动控制 211
7.2.1　主动吸气控制 211
7.2.2　主动吸吹气控制 219
7.3　被动吸吹气流动控制 224
7.3.1　中央开槽控制 224
7.3.2　被动吸吹气套环控制 233
7.3.3　被动吸吹气控制工程应用 250
7.4　非一致表面流动控制 255
7.4.1　海豹胡须仿生非一致表面拉索 255
7.4.2　螺旋形表面拉索 267
7.5　小结 272
参考文献 273