大跨度缆索承重桥梁抗风关键技术与工程应用.docx
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大跨度缆索承重桥梁抗风关键技术与工程应用
四川省提名2018年国家科学技术奖励项目
科技进步奖
序号5
项目名称大跨度缆索承重桥梁抗风关键技术与工程应用
提名意见
大跨度缆索承重桥梁是国家公路和铁路交通跨越江海、深切峡谷的控制性工程，其抗风问题是设计和建造的关键控制因素。
项目组在国家自然科基金、交通运输部科技项目、铁道部/铁路总公司科技计划及国内外重大桥梁工程抗风专题等四十余项科研课题的支持下，历时十余年，针对大跨缆索承重桥梁抗风关键技术开展了深入系统研究。
自主研制了世界最大、性能先进的边界层风洞，创新了一系列风洞试验技术；基于大型边界层风洞试验平台，建立了高精度桥梁气动力模型和风振分析方法，发展和完善了桥梁抗风设计理论；基于试验平台和风振分析理论，提出了大跨缆索承重桥梁主梁气动外形设计准则和系统性的风振气动控制技术。
该项目创新显著，为大跨度缆索承重桥梁抗风设计提供了关键试验平台、强有力的理论及技术支撑。
研究成果直接在国内外相关企业及重大桥梁工程中得到应用，推动了行业的科技进步，提升了我国桥梁设计和建造水平、国际竞争力，经济和社会效益显著，推广应用前景广阔。
综上所述，提名该项目为国家科技进步奖二等奖。
项目简介
大跨度缆索承重桥梁作为现代公路、铁路交通的控制性工程，具有结构轻柔、阻尼小等特点，对风的作用敏感，抗风问题是其设计和建造的关键因素。
风洞试验及在此基础上发展的风振计算理论、控制技术是解决大跨度缆索承重桥梁抗风问题的主要手段，直接推动了大跨度缆索承重桥梁的技术进步。
本项目在国家自然科学基金、省部级项目和重大工程专题等四十余项课题的支持下，历时十余年，针对大跨度缆索承重桥梁抗风关键技术开展了深入系统研究，在先进风洞试验平台研发与试验模拟技术、风振计算理论、气动控制技术等方面取得了如下创新性成果：
1、自主研制了世界最大、性能先进的边界层风洞，创新了一系列风洞试验技术。
首次提出了分段式扩散段、多层阻尼网和防分离网组合的新型风洞整流结构形式，解决了超宽风洞流场横向分布均匀性的技术难题；发展了适用于各类地貌紊流风的模拟装置，实现了大积分尺度近地自然风场的精确模拟（紊流积分尺度比同类风洞提高近60%）；研发了闭环控制强迫振动试验系统，实现了大振幅下桥梁断面非线性气动力的高精度识别；提出了大跨度桁梁桥气弹模型模拟方法等一系列风洞试验技术，提升了抗风试验的模拟精度。
2、基于大型边界层风洞试验平台，建立了高精度桥梁气动力模型和风振分析方法，发展和完善了桥梁抗风设计理论。
首次提出了考虑跨向相关性的桥梁涡激气动力数学模型，建立了三维涡振分析方法；改进了三维桥梁气动导纳，建立了跨向相干函数公式，发展和完善了桥梁抖振分析理论；提出了非线性自激气动力数学模型，建立了桥梁非线性颤振分析方法。
3、基于试验平台和风振分析理论，提出了大跨缆索承重桥梁主梁气动外形设计准则和系统性的风振气动控制技术。
针对灾难性的颤振、影响桥梁使用性和耐久性的涡振和破坏性的驰振，以及不同的桥梁形式，系统研发了成套的、通用性的大跨桥梁风振气动控制技术。
发现了流线型箱梁下腹板最优倾角范围（14°~18°），建立了流线型箱梁气动外形设计准则；提出了板桁结合加劲梁的上稳定板颤振控制技术，检修车轨道内侧导流板、环保型异形集中排水管等涡振控制技术，桥塔竖向翼板驰振控制技术，为桥梁抗风设计提供了科学依据。
本项目研究成果为大跨度缆索承重桥梁抗风设计提供了关键试验平台、强有力的理论及技术支撑，直接应用于港珠澳大桥、苏通长江大桥、南京长江第四大桥、武汉天兴洲大桥、美国GeraldDesmond大桥、挪威Hålogaland大桥等重大桥梁工程，取得直接经济效益3.46亿元，社会效益显著，具有广泛的推广应用价值和国际竞争优势。
部分成果已纳入两本国家级标准/规范，促进了行业科技进步。
本项目成果获省部级科技进步一等奖2项，二等奖1项；发表学术论文182篇，其中SCI收录22篇、EI收录56篇；获国家发明专利5项、实用新型专利12项；培养博士32名，硕士156名。
客观评价
（1）国内外同类技术的综合比较
本项目与国内外同类研究在试验方法、计算理论和控制技术三方面的对比如表1所示。
表1本项目成果与国内外同类技术的综合对比
技术内容
国内外同类研究
本项目
试验方法
风洞宽度
15m
22.5m
风洞高度
3.8m
4.5m
紊流积分尺度
0.95m
1.50m
强迫振动装置振幅
3°
20°
桁架桥气弹模型
气动干扰大
气动外形精确模拟
计算理论
涡振分析误差
23%
5%
颤振分析方法
颤振前状态
颤振全过程
抖振分析方法
二维
三维
控制技术
气动措施
通用性差
形成设计准则
（2）成果鉴定意见
2016年5月，以中国工程院院士王景全教授为主任的鉴定委员会对本项目成果进行了鉴定，认为：
•提出了大型边界层风洞的分段式扩散段和防分离网的新型整流结构形式，成功研制了国际领先的、世界最大的桥梁边界层风洞。
•首次提出了考虑跨向相关性的大跨度桥梁三维涡激振动分析理论，发展和完善了桥梁风致振动分析理论，为大跨度桥梁抗风设计和抗风研究提供了理论分析方法和关键技术支撑，经济和社会效益特别显著。
•本项目研究成果总体上达到国际先进水平，其中考虑跨向相关性的大跨度桥梁三维涡激振动分析理论、流线型箱梁和桁梁风振控制技术、大型边界层风洞性能和试验能力达到国际领先水平。
（3）国内外同行评价
BBAA8大会主席、国际风工程学会执委、JournalofFluidandStructures副主编、美国东北大学LucaCaracoglia教授在其公开发表的行业顶级期刊论文中肯定了本项目的研究成果，认为本项目提出了考虑跨向相关性的三维涡振模型。
国际桥梁与结构协会副主席、973首席科学家、同济大学教授葛耀君教授多次引用并肯定本项目成果，认为本项目“基于经验非线性模型通过引入振型自卷积积分的方式重新定义了涡激力展向相关性折减系数，并给出了相应节段至实桥涡振振幅计算方法。
”
“Anumericalinvestigationongallopingofaninclinedsquarecylinderinasmoothflow”在第6届计算风工程国际会议上，被国际风工程学会授予“青年学者优秀论文奖”（每四年一次，两个名额），这是迄今我国学者唯一一次获此殊荣。
（4）奖励对本成果的肯定
表2本项目成果获得的奖励情况表
序号
获奖项目名称
年度
奖项名称
等级
授奖部门
1
大跨桥梁风振计算理论、试验方法及控制技术
2017年
科技进步
一等
四川省人民政府
2
跨海特大跨径悬索桥钢箱梁架设安装关键技术研究
2013年
科技进步
一等
中国公路学会
3
特大跨度斜拉桥施工期抗风性能研究及应用
2009年
科技进步
二等
四川省人民政府
推广应用情况
本项目成果已全面应用于国内外公路、铁路交通及石油天然气管道输运工程等领域。
本项目自主研制的大型边界层风洞，先后承担了国内外70多座大跨度缆索承重桥梁的风洞试验，为其设计、施工提供了关键的试验平台；提出的三维涡激振动和抖振分析理论、非线性颤振分析理论广泛应用于近100座大跨度缆索承重桥梁的风振分析和抗风性能评价；提出的流线型箱梁气动外形设计准则、检修车轨道内侧导流板的涡振控制技术、上稳定板控制板桁结合加劲梁的颤振技术、桥塔竖向翼板驰振控制技术等一系列桥梁气动控制技术已成功应用于国内外50余座大跨度缆索承重桥梁。
成果应用的代表性工程：
港珠澳大桥、杭州湾嘉绍大桥、舟山连岛工程、青岛海湾大桥、广州珠江黄埔大桥、虎门二桥、沪通长江大桥、南京长江第四大桥、武汉天兴洲长江大桥、重庆永川长江大桥、贵州清水河大桥、都格北盘江大桥、雅康高速大渡河大桥、云南龙江特大桥、兰州西固黄河大桥、新疆果子沟大桥、美国GeraldDesmond大桥、挪威Hålogaland大桥、马来西亚槟城二桥、莫桑比克Maputo大桥等国内外重大桥梁工程。
表3成果的推广应用情况表
应用单位名称
应用技术
应用的起止时间
应用单位联系人/电话
应用情况
中铁大桥勘测设计院集团有限公司
整体技术
2001.02-2017.12
梅大鹏/
良好
中交公路规划设计院有限公司
整体技术
2000.01-2017.12
李贞新/
良好
四川公路桥梁建设集团有限公司
施工期抗风技术
2003.07-2017.12
王芳/
良好
四川省交通厅公路规划勘察设计研究院
整体技术
2002.06-2017.12
孙璐/
良好
中铁第四勘察设计院集团有限公司
气动控制技术
2002.12-2017.12
曾甲华/
良好
中国中铁二院工程集团有限责任公司
气动控制技术
2008.12-2017.12
杨咏漪/
良好
中国石油天然气管道工程有限公司
整体技术
2011.01-2017.12
左雷彬/
良好
主要知识产权证明目录
知识产权类别
知识产权具体名称
国家
（地区）
授权号
授权日期
证书编号
权利人
发明人
发明专利有效状态
发明专利
工程结构风洞模型状态控制装置
中国
ZL2.3
2015年08月19日
西南交通大学
黄松和、廖海黎、王骑、张文桂、李明水
有效
发明专利
钝体截面桥塔结构风致振动抑制构造
中国
ZL2.1
2016年04月16日
西南交通大学
马存明、段青松、廖海黎
有效
发明专利
带有集中排水管的流线箱梁主梁涡激振动抑制构造
中国
ZL2.2
2017年01月25日
西南交通大学
李明水、孙延国、许春荣、廖海黎
有效
发明专利
倒角方形桥塔风致振动抑制构造
中国
ZL2.X
2015年12月30日
西南交通大学
马存明、刘仰昭、廖海黎、李明水
有效
发明专利
缆上步履式自行系统
中国
ZL2.2
2012年07月11日
999676
西南交通大学、四川公路桥梁建设集团有限公司
黄松和、卢伟、龙勇、张文桂、杨如刚
有效
实用新型专利
大跨桥梁风洞试验风偏角转换装置
中国
ZL2.5
2014年07月02日
西南交通大学
廖海黎、丁静、马存明
有效
实用新型专利
一种用于钝体叠合梁桥梁涡振控制的导流板组件
中国
ZL2.3
2014年05月14日
西南交通大学
刘君、廖海黎、李明水、马存明、王骑
有效
实用新型专利
大跨桥梁涡激振动抑制构造
中国
ZL2.6
2013年10月24日
西南交通大学
丁静，廖海黎
有效
实用新型专利
一种开槽桁架梁悬索桥颤振稳定性优化组件
中国
ZL2.5
2015年05月14日
西南交通大学
刘君、廖海黎、李明水、马存明、王骑
有效
实用新型专利
一种非接触气动激振装置
中国
ZL2.1
2015年08月19日
西南交通大学
廖海黎，林思源，韩兆令，马存明
有效
主要完成人情况表
姓名
廖海黎
排名
1
行政职务
实验室主任
技术职称
教授
工作单位
西南交通大学
完成单位
西南交通大学
对本项目技术创造性贡献：
对本项目中的创新点一、创新点二和创新点三均有主要贡献。
负责整个项目的布局和人员协调工作。
作为主要负责人研制了大型边界层风洞；建立了桥梁断面非线性气动力新的试验方法和新的模型，提出了考虑气动力非线性的大跨桥梁分析分析理论；提出了一系列新的大跨桥梁风洞试验方法，研发了具有自主知识产权的桥梁模型强迫振动试验系统，实现了桥梁风荷载的精确识别。
姓名
李明水
排名
2
行政职务
实验室副主任
技术职称
教授
工作单位
西南交通大学
完成单位
西南交通大学
对本项目技术创造性贡献：
对本项目中的创新点一、创新点二和创新点三均有主要贡献。
作为主要研究人员，研制了大型边界层风洞，提出了采用分段式扩散段与多层阻尼网和防分离网的边界层风洞新型整流结构形式，实现了风特性的精确模拟；发现了影响流线型箱梁气动性能的下腹板倾角临界范围，提出了气动外形优化准则；首次提出了设置检修车轨道内侧导流板控制流线型箱梁涡振的措施。
姓名
李永乐
排名
3
行政职务
桥梁系主任
技术职称
教授
工作单位
西南交通大学
完成单位
西南交通大学
对本项目技术创造性贡献：
对创新点一和创新点二有突出贡献。
参与研制了大型边界层风洞和建设工作，建立了一系列新的桥梁风振理论模型和分析方法，发展和完善了现行的桥梁抗风设计理论,在铁路桥梁和公路桥梁的风洞试验和抗风性能研究方面，均作出了较大贡献。
姓名
杨如刚
排名
4
行政职务
总经理
技术职称
教授级高工
工作单位
四川公路桥梁建设集团有限公司
完成单位
四川公路桥梁建设集团有限公司
对本项目技术创造性贡献：
作为本项目主要完成人员，对创新点三有重要贡献。
针对大跨度缆索承重桥梁的施工过程中面临的抗风安全问题，主持研制了特大跨度悬索桥施工阶段主梁抗强风临时连接构造、自行走抗强风的新型缆载吊机以及特大跨度悬索桥整体式施工猫道抗风措施，并经受了实际应用效果的检验。
姓名
张敏
排名
5
行政职务
总经理
技术职称
教授级高工
工作单位
中铁大桥勘测设计院集团有限公司
完成单位
中铁大桥勘测设计院集团有限公司
对本项目技术创造性贡献：
作为本项目主要完成人员，对创新点三有重要贡献。
主持、参与了多座大跨缆索承重桥梁风振控制措施设计，将桁架梁颤振控制技术、箱梁涡振控制技术等应用到实际桥梁工程。
姓名
孟凡超
排名
6
行政职务
副总经理
技术职称
教授级高工
工作单位
中交公路规划设计院有限公司
完成单位
中交公路规划设计院有限公司
对本项目技术创造性贡献：
作为本项目主要完成人员，对创新点三有重要贡献。
主持了多座大跨缆索承重桥梁风振控制措施设计，将流线型箱梁气动外形设计准则、箱梁涡振控制技术等应用到实际桥梁工程。
姓名
郑史雄
排名
7
行政职务
无
技术职称
教授
工作单位
西南交通大学
完成单位
西南交通大学
对本项目技术创造性贡献：
对创新点一和创新点三有突出贡献。
参与研制了大型边界层风洞和建设工作，提出了大跨桥梁一系列风振气动控制措施，显著改善了大跨度桥梁的抗风性能；建立了铁路桁架梁风洞试验方法，并负责了多座特大铁路桥梁的抗风性能研究。
姓名
庄卫林
排名
8
行政职务
总工程师
技术职称
教授级高工
工作单位
四川省交通运输厅交通勘察设计研究院
完成单位
四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院
对本项目技术创造性贡献：
作为本项目主要完成人员，对创新点三有重要贡献。
主持、参与了多座大跨缆索承重桥梁风振控制措施设计，将流线型箱梁涡振控制技术、桁梁颤振控制技术等应用到实际桥梁工程。
姓名
马存明
排名
9
行政职务
无
技术职称
副教授
工作单位
西南交通大学
完成单位
西南交通大学
对本项目技术创造性贡献：
作为主要研究人员，对创新点二和创新点三有突出贡献。
在本项目中改进了桥梁抖振力数学模型，完善了大跨度桥梁抖振分析理论，首次提出了设置检修车轨道内侧导流板控制流线型箱梁涡振的措施；发现了独柱式桥塔涡振-驰振耦合现象
姓名
王骑
排名
10
行政职务
无
技术职称
副教授
工作单位
西南交通大学
完成单位
西南交通大学
对本项目技术创造性贡献：
对创新点二有重要贡献。
在本项目中提出了桥梁断面大振幅简谐运动下的非线性自激气动力复数表达式及谐波表达式，建立了非线性颤振分析的数值方法，揭示了桥梁颤振全过程发展机理。
主要完成单位及创新推广贡献
完成单位
创新推广贡献
西南交通大学
西南交通大学项目组在国家自然科学基金、省部级项目和重大工程专题等四十余项课题的支持下，历时十余年，针对大跨度缆索承重桥梁抗风关键技术开展了深入系统研究。
自主研制了国际领先、世界最大的桥梁边界层风洞，创新了一系列风洞试验技术；建立了高精度桥梁气动力模型和风振分析方法，发展和完善了桥梁抗风设计理论；提出了大跨缆索承重桥梁主梁气动外形设计准则和系统性的风振气动控制技术，显著改善了大跨度桥梁的抗风性能。
研究成果为大跨度桥梁抗风性能评价提供试验平台、理论支撑和技术支撑。
项目成果获省部级科技进步一等奖2项，二等奖1项；发表学术论文182篇，其中SCI收录22篇、EI收录56篇；获国家发明专利5项、实用新型专利8项；培养博士32名，硕士156名。
有关成果在国内外相关企业和重大桥梁工程中得到应用和推广，促进了行业的科技进步，经济和社会效益特别显著。
四川公路桥梁建设集团有限公司
四川公路桥梁建设集团有限公司结合本单位承建的重大桥梁工程，针对大跨度缆索承重桥梁施工过程中面临的抗风安全问题，与西南交通大学抗风课题组合作，基于风洞试验和理论分析，研发了一系列确保大跨度缆索承重桥梁施工安全的抗风技术，主要包括：
（1）特大跨度悬索桥施工阶段主梁抗强风临时连接构造；
（2）穿越台风期主梁吊装的关键设备——自行走、抗强风的新型缆载吊机；（3）特大跨度悬索桥整体式施工猫道抗风措施；并将上述技术推广应用到西堠门大桥、挪威HalogalandBridge、赤水河大桥、南溪长江大桥等重大桥梁工程的建设中，确保了施工期桥梁结构和施工设备的抗风安全。
中交公路规划设计院有限公司
中交公路规划设计院有限公司依托西南交通大学大型边界层风洞试验平台，在本单位承担的二十多座大跨度缆索承重桥梁设计中推广应用了本项目多项抗风技术，主要包括：
（1）流线型箱梁气动选型设计准则；
（2）钢箱梁涡振控制技术；（3）板桁结合加劲梁颤振抑制技术；（4）分离式双箱梁涡振抑制技术；（5）风振计算分析方法等；并推广应用到南京长江第四大桥、杭州湾嘉绍大桥、鄂东长江大桥、港珠澳大桥工程（江海直达船桥、青州航道桥）、贵州清水河大桥、贵州都格北盘江大桥、云南龙江特大桥等国家重大桥梁工程。
中铁大桥勘测设计院集团有限公司
中铁大桥勘测设计院集团有限公司依托西南交通大学大型边界层风洞试验平台，在本单位承担的十余座大跨度缆索承重桥梁（铁路桥、公路桥及公铁两用桥）设计中推广应用了本项目多项抗风技术，主要包括：
（1）钢桁梁主梁气功优化；
（2）主梁涡振控制技术；（3）流线型箱梁气动选型设计准则；（4）风振计算分析方法等；并推广应用到武汉天兴洲长江大桥、青山长江大桥、杨泗港长江大桥、五峰山长江大桥、重庆万州长江三桥、港珠澳大桥工程（九州航道桥）、平潭海峡大桥、沪通长江大桥、瓯江北口大桥等国家重大桥梁工程。
四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院
四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院依托西南交通大学大型边界层风洞试验平台，在本单位承担的近十座大跨度缆索承重桥梁设计中推广应用了本项目多项抗风技术，主要包括：
（1）钢箱梁涡振控制技术；
（2）钢桁梁主梁气功优化措施；（3）风振计算分析方法；并推广应用到宜宾长江大桥、泸州泰安长江大桥、重庆忠县长江大桥、柳州双拥大桥、南宁英华大桥、宜宾中坝金沙江大桥、雅康高速大渡河大桥等西部地区重大桥梁工程。
完成人合作关系说明
“大跨度缆索承重桥梁抗风关键技术与工程应用”项目由五个单位合作完成，即西南交通大学、四川公路桥梁建设集团有限公司、中交公路规划设计院有限公司、中铁大桥勘测设计院集团有限公司、四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院。
从2000年起，本项目成员紧密合作，自主研制成功了大型边界层风洞、发展了大跨桥梁风振计算理论和气动控制技术，并将成果推广应用于国内外重大桥梁工程。
西南交通大学对本项目的三个创新点均有突出贡献，四川公路桥梁建设集团有限公司的杨如刚、中交公路规划设计院有限公司的孟凡超、中铁大桥勘测设计院集团有限公司的张敏、四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院的庄卫林对本项目创新点三和推广应用有突出贡献。
完成人合作关系情况汇总表
序号
合作方式
合作者
合作时间
合作成果
证明材料
备注
1
共同知识产权合作
廖海黎、王骑、李明水
2012年
工程结构风洞模型状态控制装置
发明专利
2
共同知识产权合作
廖海黎、马存明
2013年
倒角方形桥塔风致振动抑制构造
发明专利
3
共同立项
李明水、郑史雄
2010年~2013年
大跨度桥梁主梁涡激振动特性研究
国家自然科学基金项目结题报告
4
共同立项
廖海黎、李永乐
2001年~2003年
线状结构三维气动导纳函数研究
国家自然科学基金项目结题报告
5
共同立项
廖海黎、张敏、郑史雄
2002年~2004年
武汉天兴洲长江大桥抗风专题
项目研究报告
6
共同立项
廖海黎、孟凡超、李明水
2008年~2011年
港珠澳大桥抗风专题研究
项目研究报告
7
共同成果
杨如刚、廖海黎、李明水、马存明、王骑
2008年~2010年
跨海特大跨径悬索桥钢箱梁架设安装关键技术研究
获奖证书
8
共同成果
廖海黎、李明水、李永乐、庄卫林、郑史雄、马存明、王骑
2007年~2014年
大跨桥梁风振计算理论、试验方法及控制技术
获奖证书
升级会员 