[01120085]悬索桥主缆施工驰振控制与覆冰吊索气动俘能发电关键技术及应用

本项目属于土木建筑工程学科中的桥梁抗风及清洁能源技术。成果服务对象为交通基础设施规划与投资相关的政府部门、桥梁设计-施工-管养等相关的企事业单位以及科研机构等。 随着我国交通强国战略和“一带一路”建设的不断推进,我国及世界其它地区有多座正在规划或建设的大跨径悬索桥,多数均建造在风速较高且经常遭受强台风侵袭的地区,因此其施工和运营中的抗风问题非常突出。施工期主缆通常刚度低、工期长、断面非圆形,存在驰振失稳可能,这不仅会影响施工进度的正常进行,还会给施工人员带来安全隐患;同时,近年来极端天气频发,吊索覆冰现象日渐突出。此外,如何利用施加在吊索上的风荷载,将不利转化为有利,也是国家十四五环保方针支持的重要领域。因此进行悬索桥主缆施工驰振控制与覆冰吊索气动俘能发电关键技术的研究意义重大。 鉴于此,以2项国家自然科学基金项目和2项省部级科研项目为基础,由郑州大学组建科研团队,联合中铁大桥（郑州）缆索有限公司、中铁七局集团有限公司、山东鲁勘工程检测鉴定有限公司、郑州市路通公路建设有限公司,历时14年,共同研究了悬索桥主缆施工驰振控制与覆冰吊索气动俘能发电关键技术,并进行了实际应用。基于结构驰振理论,获得了主缆施工期典型断面的气动特性规律,解决了大跨径悬索桥施工期非圆形断面主缆驰振问题;基于试验及数值模拟,解决了施工期尖顶型和平顶型主缆的施工措施问题;运用风洞试验及数据处理技术,在一定程度上改善了覆冰吊索驰振分析精度较低的问题;确定了覆冰吊索的气动特性,补充了悬索桥的设计及抗风规范中吊索覆冰工况的内容;研制了吊索非线性俘能装置,解决了悬索桥吊索驰振能量再利用的问题。本项目所研发的成果已成功在河南、山东、湖北、湖南、贵州、浙江、江苏、广西、云南、辽宁、内蒙古、宁夏、北京等全国多个省市的悬索桥项目进行了应用。 本项目所取得的创见性成果如下： （1）发现了大跨径悬索桥施工期非圆形断面主缆驰振失稳现象,研究了主缆施工期典型断面的气动特性,揭示了猫道参数对施工期主缆的气动干扰机理,确定了最优猫道设计参数,优化了施工期主缆驰振失稳的辅助索控制措施及尖顶型和平顶型主缆的施工方案。 （2）提出了提高覆冰吊索驰振分析精度的数据处理方法;确定了气动特性稳定的覆冰吊索间距,揭示了覆冰时迎风索对背风索的屏蔽效应规律,为悬索桥的设计及抗风规范提供了数据基础和理论依据。 （3）建立了多稳态驰振压电俘能装置的等效电路模型,研究了不同接口电路对非线性俘能装置的影响规律,构建了非线性多稳态悬索桥吊索驰振压电俘能系统。 本项目取得了一批具有自主知识产权的核心技术,获得授权发明专利5项;发表高水平论文72篇（其中中科院JCR1区12篇,ESI高被引论文7篇）,出版专著1部,培养博士研究生5人、硕士研究生15人、技术骨干30人。项目开发的技术和产品满足了施工期主缆风振控制措施及清洁风能利用的需求、悬索桥极端荷载条件下的设计及施工需求、悬索桥管养过程中技术需求,成果已在悬索桥设计、施工、管养等方面运用,至今已累计新增合同额5.65亿元,新增利润0.553亿元。项目成果的推广应用,必将提高我国大跨径悬索桥梁的理论及技术水平,同时也扩大了清洁风能利用技术的国际影响力。 经哈尔滨工业大学欧进萍教授（中国工程院院士）、重庆大学胡少伟教授（长江学者、国家杰青）、西南交通大学李永乐教授（长江学者、国家杰青）、北京建筑大学李爱群教授（国家杰青）、天津大学韩庆华教授（国家杰青）、同济大学朱乐东教授、兰州理工大学杜永峰教授、河南省建筑科学研究院有限公司巴松涛教授级高工、郑州航空工业管理学院李广慧教授等9名专家鉴定：研究成果达到国际领先水平。项目研究成果获2021年度河南省教育厅科技成果一等奖。