Page 170 - 《振动工程学报》2025年第8期

1810 振 动 工 程 学 报 第 38 卷

multiple spatial-temporal distribution modes induced by different excitation sources. The pressure on the original girder is dominat‑
ed by the 1st order SPOD mode where the component at the fundamental frequency of bridge girder is the main ingredient. Mean‑
while， the spatial-temporal distribution mode of aerodynamic force on the upper surface contribute more to the VIVs. The predomi‑
nant aerodynamic forces mode distributing harmonic on the upper surface travels downstream， with the contribution value present‑
ing a wave-like distribution， collectively referring to as the “aerodynamic wave effect”. The aerodynamic wave intensity acting on
the upper surface is much greater than that of the lower surface. The propagation of the aerodynamic wave could be characterized by
the monotonously decreasing phase lag between the distributed aerodynamic forces and the vortex-excited forces （VEFs）. The
wavelength of the aerodynamic wave on the original girder is approximately consistent with the wavelength of the contribution val‑
ue， which corresponds to the distance between the windward and leeward crash barriers. With the addition of guide vanes near
maintenance rails， the predominant mode of aerodynamic wave on the upper surface is similar with that on the original girder while
the wave intensity decreases， resulting in a reduction of VIV response. The spatial-temporal energy spectrum of aerodynamic force
on the upper surface turns into a broadband distribution after the installation of spoilers on handrails， and the frequency lock-in phe‑
nomenon disappeared. Thus， VIVs were eliminated. This study provides a new perspective for the analysis of pressure field on
girder surface and constructing mathematical models of the vortex-excited force on bridge girders， which could deeply reveal the
mechanism of VIV.

Keywords: bridge engineering； aerodynamic measures； aerodynamic wave effect； suppression mechanism of VIV； vortex-induced
vibration； streamlined closed-box girder

大气边界层中的大跨度桥梁结构不可避免地受 刚性节段模型测压测振试验可获得涡振时模型
到风的作用的影响，同时随着跨径的增大，其对风荷 表面各测点的压力时程信号。然而与数值模拟相
载愈发敏感，易诱发涡激振动。大量的风洞试验及 比，试验获得的压力信号往往存在不平滑、不规则波
工程实践表明，主梁断面的涡振性能对气动外形的 动，非完全正弦等缺点。故通常将模型表面的脉动
改变非常敏感，在不改变桥梁结构与使用性能的前 压力分布当作随机场或者多元随机过程处理，得到
提下，适当改变主梁的气动外形或增设非结构性的 多元随机变量的统计特性及谱特性，用于气动激励
主动或被动导流/抑流装置（气动措施），是抑制涡振 机理研究。谱本征正交分解（spectral proper orthog‑
［2］
的有效方法。如改变风嘴 、栏杆型式 ，增设导流 onal decomposition，SPOD）方 法 正 是 这 样 一 种 方
［1］
［5］
［3］
［4］
［6］
板 、稳定板 、风障 以及主动吹气装置 等。气动 法，可提取统计平均意义上的单频时空信号，且同一
措施因桥而异，同一种气动措施对不同外形主梁断 频率下各模态之间相互正交，同时按照能级进行排
面的涡振抑制效果不尽相同。对于流线型闭口箱 序 ，结 合 了 本 征 正 交 分 解（POD）与 动 态 模 态 分 解
梁，增设人行道栏杆抑流板或检修轨道导流板是最 （DMD）方 法 的 优 点 ［14］ 。 HOA 等 ［15］ 和 DE GRENT
为简便和常用的气动措施之一。2021 年虎门大桥 等 ［16］ 采用 SPOD 方法研究了方柱或桥梁断面表面风
突发涡振后，曾采用人行道栏杆抑流板作为临时抑 压场，发现 SPOD 相较于 POD 可更好地提取与重构
［7］
振措施 ，后续采用移除底部外侧检修车轨道作为 原始压力特征模态。总之，SPOD 方法可对结构表
［8］
长期措施，有效抑制了涡振。李春光等 研究发现， 面时空压力信号进行时空分解和重构，并提取主导
在宽幅流线型钢箱梁上增设检修轨道栏杆抑流板可 和关键气动力时空演变模式，且该模式往往对应特
抑制断面涡振响应，同时在增设抑流板的基础上将 定流动模态，有助于深化对涡振等流固耦合现象物
［9］
检修轨道内移，抑振效果更好。许福友等 针对某 理机制的认识。
流线型封闭箱梁，研究发现增设抑流板改善了其上 综上所述，现有研究多基于主梁节段模型试验
表面流场分布，有效抑制了断面涡振。对于检修轨 或数值模拟，或施加抑流板等抑振措施，或改变检修
道导流板，刘志文等 ［10］ 研究发现，优化检修车轨道位 轨道等气动措施位置等，对比研究涡振特性、抑振效
置能有效抑制主梁涡振。孙延国等 ［11］ 发现布置检修 果等。还有学者基于表面同步压力时频特性进行分
轨道导流板可改善涡振性能，且改善程度与导流板 析，从断面表面压力宏观统计特性的角度揭示涡振
尺寸及倾角密切相关。朱思宇等 ［12］ 、刘君等 ［13］ 发现 及气动措施抑振机理。文献［17‑22］进一步由涡振
在检修轨道内侧布置导流板可大幅降低竖向涡振振 时断面表面压力推演断面周围关键绕流特征——旋
幅。总体而言，流线型闭口箱梁涡振多为人行道栏 涡漂移，建立了涡振机理分析的简化涡模式，揭示了
杆、检修轨道等附属设施诱导产生，设置人行道栏杆 流线型箱梁及双开槽主梁涡振机理。然而，他们将
抑流板、增设检修轨道导流板等方法可有效提升其 旋涡对断面作用简化为集中力，难以表征涡振时断
涡振性能。 面表面压力的时空分布特征。因此有必要充分利用