对比分析横桥向风速(吹向偏北侧为正值)、纵桥向风速(吹向西北侧为正值)、风向角与RMS值的相关性,可以看出在横桥向风速介于2m/s到15m/s之间斜拉索振动幅值有放大的现象,主要集中在风速5m/s左右时发生,风向角集中于近似垂直于桥轴线方向(西偏北15度到东偏南15度)。
(三) 异常振动频谱分析和位移时程计算
以上文的4根斜拉索为例(SC13,MC13,MC2’,MC16’),寻找其RMS较大值所对应的时刻,即异常振动时刻,将其加速度时程和频谱绘制于图6,可以看出振动集中于高阶模态(5~15Hz),且存在多阶振动现象。
采用频域积分法,将加速度频谱除以谱值对应频率的平方,再将谱值取负可以得到位移的频谱,最后利用傅里叶逆变换得到时域中的位移时程,得到斜拉索的动位移如图7所示。由于加速度幅值较大的斜拉索,加速度频谱集中于高阶模态,对于位移振动幅值影响较小,位移幅值大部分在2cm 以下,最大不超过5cm(积分得到位移仅代表传感器所在位置处的位移,不一定是斜拉索的最大位移)。
(四) 异常振动成因分析
当流体绕过圆柱体后,在尾流中将出现交替脱落的旋涡。如此低的风速所能产生的涡激力将难以提供激起拉索低阶大幅度振动的能量,因此拉索的涡激共振一般发生在较高阶的振动,对于长拉索为高达十几阶的高频振动,同该大桥斜拉索振动频谱得出的结论一致。综合考虑上文分析的振动频谱、风速、风向等数据,可以认为该大桥斜拉索发生了在横风向作用下的涡激共振。且对于大跨度斜拉桥,由于其拉索处于大气边界层的梯度风范围内,当拉索很长时,梁端和塔端风速差较大,由于风速差引起旋涡脱落频率范围较宽,因此长索会激发多阶模态的涡激共振。
结论
(1)西北侧斜拉索SC16、SC13、MC2、MC7、MC13、MC16、MC18和东南侧斜拉索MC19'、MC16'、MC13'、MC7'、MC2'、SC18'等13根拉索异常值样本较为离散,且最大值远大于四分位数值,在各种因素的诱导下更容易发生幅度很强的异常振动,应重点予以关注。
(2)所有斜拉索10分钟RMS值的上四分位数和中位数相当,且数值较小,箱子形态较扁,说明至少75%的时间段斜拉索的振动较弱,异常振动累计发生的时长较短。
(3)频域表现为表明为高阶模态振动,振动位移幅值较小,绝大多数斜拉索位移幅值在2cm以下,各种迹象表明发生了高阶多模态涡激振动。
(4)涡激振动和风场具有一定的相关性,横桥向风速介于2m/s到15m/s之间时斜拉索振动幅值有放大的现象,主要集中在风速5m/s左右时发生,风向角近似垂直于桥轴线方向。涡激振动只在某一风速区域内发生,存在锁定区。
(5)该跨海大桥斜拉索未设置外置阻尼器,只设置了内置高阻尼橡胶阻尼器。由于斜拉索阻尼器设计方法主要考虑抑制前几阶模态的振动,难以兼顾高阶模态,因此对于高阶模态抑制效果较差。
作者:官华 应宇锋 畅卫杰,浙江舟山跨海大桥有限公司
王凯,中交公路规划设计院有限公司