Page 169 - 《振动工程学报》2025年第8期

第 38 卷第 8 期 振 动 工 程 学 报 Vol. 38 No. 8
2025 年 8 月 Journal of Vibration Engineering Aug. 2025

典型箱梁竖向涡激气动力行波效应与抑振机理

胡传新 1，2，3 ， 戴 钢 ， 赵 林 2，4 ， 王相龙 ， 葛耀君 2，4
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（1. 武汉科技大学城市建设学院，湖北 武汉 430065； 2. 同济大学桥梁结构抗风技术交通运输行业重点实验室，
上海 200092； 3. 武汉科技大学城市更新湖北省工程研究中心，湖北 武汉 430065；
4. 同济大学土木工程防灾减灾全国重点实验室，上海 200092）

摘要: 为研究增设检修轨道导流板、人行道栏杆抑流板等气动措施抑振机理，开展了大尺度节段模型测振测压风洞试验。基于
表面压力时空分布特征及其统计特性提出了气动行波假设，结合谱本征正交分解（spectral proper orthogonal decomposition，
SPOD）方法进行验证，并提出气动力时空功率谱，进一步量化与解构了复杂的时空压力场，揭示了流线型箱梁涡振机理及气
动措施抑振机理。研究表明：原始断面在试验风速内存在 3 阶竖向涡振锁定区间，其中第 3 阶锁定区振幅最大。增设检修轨道
导流板后，断面最大振幅减小 53.1%，增设人行道栏杆抑流板后涡振消失。断面表面复杂压力场可表达为多个不同激励源诱
发的气动力时空分布模式的线性叠加。原始断面表面压力场由断面振动基频处 1 阶 SPOD 模态对应压力时空分布主导，同时
上表面模态压力时空分布占主导地位。上表面主导模态压力沿下游呈现行波式演变，贡献值呈波浪式分布，统称为“气动行
波”效应。上表面气动行波作用强度远大于下表面。气动行波传播可由分布气动力与涡激力相位差单调递减表征。原始断面
上表面气动行波波长与贡献值空间分布波长基本一致，约等于前、后缘防撞栏杆之间距离。增设导流板后，上表面主导气动行
波传播模式基本不变，作用强度减小，从而涡振幅值减小。增设抑流板使得上表面能量分布呈宽带分布特征，锁频现象消失，
故而不发生涡振。研究提炼了涡振时断面表面复杂压力场中的关键和主导气动力时空演变模式——气动行波，为桥梁主梁断
面涡振机理分析和涡激力数理模型的构建提供了思路。

关键词: 桥梁工程； 气动措施； 气动行波效应； 涡振抑振机理； 涡激振动； 流线型闭口箱梁
中图分类号: U441.3 文献标志码: A DOI： 10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.202310007

Vertical vortex⁃excited aerodynamic wave effect and vibration
suppression mechanism of typical box girder

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HU Chuanxin 1，2，3 ， DAI Gang ， ZHAO Lin ， WANG Xianglong ， GE Yaojun 2，4
（1.School of Urban Construction， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430065， China；
2.Key Laboratory of Transport Industry of Wind Resistant Technology for Bridge Structures， Tongji University，
Shanghai 200092， China； 3.Hubei Provincial Engineering Research Center of Urban Regeneration，
Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430065， China；
4.State Key Lab of Disaster Reduction in Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China）

Abstract: In order to study the suppression mechanism of vortex-induced vibration （VIV） by adding aerodynamic countermeasures
such as guide vanes near maintenance rails and spoilers on handrails， the displacement and pressure measurement on a large-scale
sectional model was conducted in wind tunnel tests. Based on the spatial-temporal distribution and statistical characteristics of sur‑
face pressure， an aerodynamic wave hypothesis is proposed and further verified using the spectral proper orthogonal decomposition
（SPOD） method. Moreover， the complex spatial-temporal pressure field is quantified and deconstructed with the spatial-temporal
energy spectrum of the aerodynamic force， revealing the mechanism of vertical VIVs as well as its suppression by aerodynamic
countermeasures in a streamlined box girder. The results reveal that there are three lock-in ranges of vertical VIVs for the original
girder while the largest VIV response appears in the 3rd order lock-in range. The addition of guide vanes near maintenance rails re‑
duces the maximum amplitude of model displacement by 53.1% whereas the installation of spoilers on handrails eliminates VIVs.
The complicated pressure field on the girders surface can be expressed as a linear superposition of aerodynamic forces related to

收稿日期: 2023-10-07； 修订日期: 2024-01-31
基金项目: 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目（52108471）；桥 梁 结 构 抗 风 技 术 交 通 行 业 重 点 实 验 室 开 放 课 题 基 金 资 助 项 目
（KLWRTBMC23-02）；国 家 重 点 研 发 计 划 项 目（2022YFC3005301，2022YFC3004105，2022YFB4201500）；
湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划项目（T2022002）