推荐项目公示
1. 项目名称
大跨桥梁风效应的涡动力学机理与控制
2. 推荐单位
哈尔滨工业大学
3. 项目简介
我国大跨桥梁数量世界第一，缆索承重桥梁是大跨度桥梁最主要的桥型。缆索承重大跨度桥梁柔性大、阻尼小，是风敏感结构，易产生多类复杂风效应，甚至导致桥梁破坏倒塌，严重威胁桥梁安全与服役状态。
桥梁结构风效应本质上是由钝体绕流，并由此产生的流动分离和旋涡运动诱发的。旋涡是流体运动的肌腱，对桥梁结构风效应具有决定性作用。但大跨度桥梁因气动外形复杂、风场不均匀和三维流固耦合效应，桥梁结构涡动力行为及其机理是桥梁风工程领域长期面临的难题。本项目针对缆索承重大跨度桥梁主梁和拉索两类生命线构件风效应，在国内外率先发现了其旋涡时空分布等涡动力学行为和旋涡与结构振动耦合作用机理，提出了基于涡动力学的桥梁结构风效应控制原理和方法，形成了桥梁结构涡动力学及其控制理论。
重要科学发现如下：
1. 大跨度桥梁分离式主梁风效应涡动力学行为与机理。发现了分离式双箱梁绕流场空隙旋涡、多旋涡共存及其空间分布特征、以及空隙流动模态突变等独特的涡动力行为，得到了箱梁间流态突变的临界空隙比，揭示了分离式箱梁独特涡动力行为形成机理；发现了分离式双箱梁涡激振动全过程涡动力行为（旋涡形成、分布、相互作用、时空演化规律），建立了旋涡空间分布与结构振动的能量传输关系，发现运动致空隙旋涡是分离式双箱梁大幅涡激振动的控制因素，揭示了分离式双箱梁涡激振动流固耦合作用机理。
2. 大跨度桥梁斜拉索风效应涡动力学行为与机理。针对斜拉索风雨振，发明了斜拉索水线超声检测技术，揭示了水线几何特征和运动规律，发现了风雨激
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振水线运动与拉索振动低频同频锁定机理；监测了超长斜拉索高阶多模态涡激振动，发现了剪切流场诱发斜拉索尾流旋涡脱落频率轴向非一致性、行波效应与梯阶锁定特征，提出了斜拉索多模态涡激振动参与模态预测方法；揭示了长期服役下斜拉索腐蚀和力学性能演化规律，建立了单丝强度概率分布与斜拉索承载力之间关系模型，提出斜拉索全寿命承载力评价方法。
3. 基于涡动力学的桥梁风效应流动控制原理和方法。提出了分离式双箱梁涡激振动间隙扰动方法，揭示了其空隙旋涡扰动的控制原理；提出了斜拉索尾流旋涡主/被动吸吹气控制方法，揭示了其抑制斜拉索尾流旋涡交替脱落的非对称模式、降低斜拉索平均阻力和脉动升力、进而减小斜拉索风效应的原理。
上述成果共发表学术论文60余篇，其中SCI 17篇，获国家专利4项。研究成果得到了中国工程院院士陈政清教授、国际桥协主席葛耀君教授、国际风工程学会Davenport奖和ASCE Scanlan 奖获得者徐幼麟教授 、ASCE和IABSE会士Hernandez教授、意大利博洛尼亚大学校长Ubertini教授等国内外著名学者的引用和高度评价。以聂建国院士为评价委员会主任的中国公路学会评价斜拉索风雨振水线与旋涡脱落的耦合作用机理、分离式双箱梁涡激振动机理等方面的研究成果达到国际领先水平。项目成员担任国际结构控制与监测学会理事长、中国振动工程学会结构抗振控制与健康监测专业委员会主任委员，中国公路学会桥梁和结构工程分会副理事长和理事。
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4. 主要完成人情况表
姓名 排名 技术职称 工作单位 对本项目主要学术贡献： 曾获科技奖励 （1）大型桥梁结构健康监测数据挖掘与安全评定关键技术-国家科技进步二等奖-2018-第一；（2）结对本项目重要科学发现1-3均作出了重要贡献，且是第二至第五、第八完成人的博士生导师：（1）与第二、第三、第六、第八完成人合作研究了大跨桥梁分离式双箱梁涡激振动涡动力学行为特征与机理，并合作提出了基于间隙扰动的分离式双箱梁李惠 1 教授 哈尔滨工业大学 涡激振动的控制方法；（2）与第二、第六、第八完成人合作研究了大跨桥梁拉索风雨激振与多模态涡激振动特性与机理，并与第二、第五、第七完成人合作提出了桥梁结构主被动吸吹气流动控制方法，与第四完成人提出了拉索风致疲劳承载力评定方法；（4）是所有代表性论文的作者，且是代表性论文1-5的通讯作者。 构振动控制与应用-国家科技进步奖-二等奖-2013-第二（该奖励2009年获教育部科技进步一等奖）；（3）重大工程结构的健康监测集成系统与应用-国家科技进步奖-二等奖-2007-第二；（4）国道 205 线滨州黄河公路大桥工程综合技术研究-国家科技进步奖-二等奖-2006-第二；（5）添加纳／微米材料的高性能智能混凝土与结构-教育部自然科学一等奖-2012-第一；（6）结构健康监测数据驱动科学与工程的理论及方法-黑龙江3
省自然科学一等奖-2015-第一。 对本项目重要科学发现1-3均作出了重要贡献：（1）与第一完成人合作研究了间隙间距对分离式双箱梁绕流场的影响规律；（2）与第一、第六完成人合作发明了斜拉索水线超声检测技术、揭示了风雨激振机理；并与第一、第八完成人合作揭示了剪切陈文礼 2 教授 哈尔滨工业大学 流下斜拉索多模态涡激振动特征与机理；（3）与第一、第三、第六完成人一起合作提出了基于涡动力学的分离式双箱梁涡激振动的间隙扰动控制方法；并与第一、第五、第七完成人合作提出了桥梁结构主被动吸吹气流动控制方法；（4）是代表性论文1，3-5，7，8的作者，且是代表性论文7，8的通讯作者。 对本项目重要科学发现1，3均作出了重要贡献：（1）与第一、第二、第六、第八完成人合作揭示了大跨桥梁分离式双箱梁绕赖马 树金 3 副教授 哈尔滨工业大学 流场及涡激振动涡动力学行为特征与机理；（2）与第一、第二、第六完成人合作提出了基于涡动力学的分离式双箱梁涡激振动的间隙扰动控制方法，取得了很好的控制效果；（3）是代表性论文1，2的作者。 对本项目重要科学发现2作出了重要贡献：（1）与第一完成人兰成明 4 副教授 北京科技大学 合作发现了拉索风致疲劳与腐蚀导致其强度降低的两个重要因素，并提出了拉索风致疲劳承载力评定方法；（2）是代表性论文6的通讯作者。 无 结构健康监测数据驱动科学与工程的理论及方法-黑龙江省自然科学一等奖-2015-第五。 （1）中国振动工程学会-青年科技奖-2018-第一； （2）基于实测和精细数值模拟的台风风工程论证技术和应用-中国气象学会气象科学技术进步成果奖一等奖-2018-第四 4
对本项目重要科学发现3作出了重要贡献：（1）与第一、第二完成人合作，提出了被动吸吹气流动控制方法，解决了该项研高东来 5 博士 哈尔滨工业大学 究中的实验技术难题，准确获取绕流场信息，并以此进行了数据分析，合作研究得到了被动吸吹气流动方法对斜拉索绕流场和气动力的控制规律；（2）是代表作8的作者。 对本项目重要科学发现1，2均作出了重要贡献：（1）与前三、第八完成人一起合作揭示了大跨桥梁分离式双箱梁涡激振动涡动力学行为特征与机理，并提出合作提出了基于涡动力学的分李凤臣 6 教授 中山大学 离式双箱梁涡激振动的间隙扰动控制方法；（2）与第一、第二完成人合作发明了斜拉索水线超声检测技术、揭示了风雨激振水线运动与拉索振动同频锁定机理；（3）是代表性论文1，4的作者。 对本项目重要科学发现2作出了重要贡献：（1）与第一、第二完成人合作提出了桥梁结构主动吹气流动控制方法，解决了该辛大波 7 教授 东北林业大学 项研究中的实验技术难题，并以此进行了数据分析，合作研究得到了主动吹气流动方法对斜拉索涡激振动及其气动力的控制规律；（2）是代表性论文7的作者。 对本项目重要科学发现1，2均作出了重要贡献：（1）与第一、张强强 8 教授 兰州大学 第三完成人一起合作揭示了大跨桥梁分离式双箱梁涡激振动涡动力学行为特征与机理；并与第一、第二完成人合作揭示了剪无 无 复杂流体湍流流动与换热机理研究及工程应用-黑龙江省自然科学一等奖-2014-第一；跨尺度湍流及水力机械内复杂流动机理研究-黑龙江省自然科学二等奖-2016-第五 无 5
切流下斜拉索尾流旋涡脱落频率展向的非一致性与台阶式锁定特征，解决了研究中实验技术和现场测量难题，并以此进行了数据分析，合作揭示了多模态涡激振动机理和分离式双箱梁绕流场涡动力学特征；（2）是代表性论文1，5作者。
5. 代表性论文专著目录
论文、专著 序号 名称/刊名/作者 Shujin Laima, Hui Li*, Wen-Li Chen, Feng-Chen Li. Investigation and 1 control of vortex-induced vibration of twin box girders, Journal Fluids 2.434 and Structures, Hui Li*, Shujin Laima, Qiangqiang Zhang, Na Li, Zhiqiang Liu, Field monitoring and validation of vortex-induced vibrations of a long-span 2 suspension bridge, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Wen-Li Chen, Hui Li*, Hui Hu, An Experimental Study on the Unsteady 3 Vortices and Turbulent Flow Structures around Twin-Box-Girder Bridge 2.689 2014, 132:27-36 2014 李惠/陈文礼 2.689 2014, 124:54-67 2014 李惠/李惠 2013, 39:205-221 2013 李惠/赖马树金 年卷页码 影响因子 年(卷):页码 发表年月 通讯作者/第一作者 (中文名) 6
Deck Models with Different Gap Ratios, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Feng-Chen Li, Wen-Li Chen, Hui Li*, Rui Zhang. An ultrasonic transmission thickness measurement system for study of water rivulets 4 characteristics of stay cables suffering from wind-rain-induced vibration, Sensors & Actuators A: Physical, Wen-Li Chen, Qiang-Qiang Zhang, Hui Li*, Hui Hu, An experimental 5 investigation on vortex induced vibration of a flexible inclined cable 2.434 under a shear flow, Journal of Fluids and Structures, 兰成明，李 惠，鞠 杨. 平行钢丝拉索承载力评定，土 木 工 程 学 6 报 Wen-Li Chen*, Da-Bo Xin, Feng Xu, Hui Li, Jin-Ping Ou, Hui Hu. 7 Suppression of vortex-induced vibration of a circular cylinder using 2.434 suction-based flow control, Journal of Fluids and Structures, Wen-Li Chen*, Dong-Lai Gao, Wen-Yong Yuan, Hui Li, Hui Hu, Passive 8 jet control of flow around a circular cylinder, Experiments in Fluids, 1.832 2015, 6(11):201, 1-15 2015 陈文礼/陈文礼 2013, 42:25-39 2013 陈文礼/陈文礼 2013, 46(5):31-38 2013 兰成明/兰成明 2015, 54:297-311 2015 李惠/陈文礼 2.311 2010, 159(1):12-23 2010 李惠/李凤臣
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