Page 201 - 《振动工程学报》2026年第3期

第 39 卷第 3 期 振 动 工 程 学 报 Vol. 39 No. 3
2026 年 3 月 Journal of Vibration Engineering Mar. 2026

结构阻尼对 Π 型主梁断面竖向涡振响应的影响

及响应峰值预测

马伟猛 1，2，3 ， 赵健业 4，5，6 ， 刘曙光 ， 黄智文 1，2，3 ， 华旭刚 1，2，3
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（1.湖南大学桥梁工程安全与韧性全国重点实验室， 湖南 长沙 410082； 2.湖南大学土木工程学院， 湖南 长沙 410082；
3. 湖南大学风工程与桥梁工程湖南省重点实验室， 湖南 长沙 410082； 4. 中国铁道科学研究院， 北京 100081；
5. 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081； 6. 中国铁道科学研究院集团有限公司
高速铁路轨道系统全国重点实验室，北京 100081； 7. 中铁大桥勘测设计院集团有限公司， 湖北 武汉 430056）

摘要: 为探究结构阻尼对 Π 型主梁断面竖向涡振响应的影响及响应峰值的快速预测方法，针对典型 Π 型主梁断面，通过风洞试
验测试了不同风攻角和结构阻尼比下主梁断面的竖向涡振特性；检验了 3 种典型涡激力模型对主梁竖向涡振响应峰值随 Scru⁃
ton（Sc）数变化规律的预测能力；提出了同一风速下主梁竖向涡振振幅随 Sc 数变化规律的有效拟合方法，并给出了快速预测方
法。结果表明：各风攻角下 Π 型主梁断面均可能出现竖向涡振，且涡振响应峰值、锁定风速区间均随结构阻尼的增加而不断变
小，响应⁃风速曲线的轮廓因风攻角而异；Scanlan 经验非线性模型和广义范德波尔振子模型均能用于预测 Π 型主梁断面竖向涡
振响应峰值随 Sc 数的变化规律，但所需工况较多，气动描述函数模型仅需单个工况便能预测竖向涡振响应峰值随 Sc 数的变化
规律，但不适用涡振响应峰值处风速随 Sc 数偏移的情况；指数型函数仅需 3 对试验结果便能有效拟合出同一风速下 Sc 数与主
梁竖向涡振振幅的关系，求其反函数可获得主梁竖向涡振振幅随 Sc 数的变化规律，取响应峰值附近各试验风速对应的变化规
律曲线的上包络线便可获得 Π 型主梁断面竖向涡振响应峰值随 Sc 数的变化规律。
关键词: 涡激振动； 响应预测； Π 型主梁断面； 结构阻尼； 涡激力模型； 主梁节段模型
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中图分类号: U441 .3 文献标志码: A DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.202406037
Effects of structural damping on vertical vortex-induced vibration response

of Π-shaped bridge deck and prediction of its response peak

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MA Weimeng 1，2，3 ， ZHAO Jianye 4，5，6 ， LIU Shuguang ， HUANG Zhiwen 1，2，3 ， HUA Xugang 1，2，3
（1.State Key Laboratory of Bridge Safety and Resilience， Hunan University， Changsha 410082， China；
2.School of Civil Engineering， Hunan University， Changsha 410082， China；
3.Key Laboratory for Wind and Bridge Engineering of Hunan Province， Hunan University， Changsha 410082， China；
4. China Academy of Railway Sciences Corporation Limited， Beijing 100081， China； 5. Railway Engineering Research Institute，
China Academy of Railway Sciences Corporation Limited， Beijing 100081， China； 6. State Key Laboratory for Track System
of High-speed Railway， China Academy of Railway Sciences Corporation Limited， Beijing 100081， China）

Abstract: To explore the effects of structural damping on the vertical vortex-induced vibration （VIV） response of a Π -shaped
bridge deck and to develop a rapid prediction method for the response peak， wind tunnel tests were conducted on a typical Π-shaped
bridge deck under various wind attack angles and structural damping ratios. The predictive ability of three typical vortex-induced
force models for the variation of the vertical VIV response peak with the Sc number was tested. An efficient fitting method for the
variation of the vertical VIV amplitude with the Sc number under the same wind speed was proposed， and a fast prediction method
for the variation of the vertical VIV response peak was given. The results indicate that vertical VIV of the Π-shaped bridge deck
can occur at different wind attack angles， with the response peak and lock-in range decreasing as structural damping increases，
though the response-wind speed curve shape varies with wind attack angles. Both the Scanlan empirical nonlinear model and the
generalized van der Pol oscillator model can predict the variation of the vertical VIV response peak， but many working conditions
are required. The description function model can predict the variation of the vertical VIV response peak only under one working
condition， but it’s incompatible for the case where the wind speed at the response peak shifts with Sc number. The exponential

收稿日期: 2024-06-17； 修订日期: 2024-09-04
基金项目: 国家自然科学基金资助项目（52278499）