|
【论文精选】官华 应宇锋等：基于健康监测数据的大跨斜拉桥拉索涡激共振分析
摘要：随着斜拉桥跨度的增长，拉索也越来越长，在风等环境激励下更容易发生大幅振动，降低其使用寿命。为研究斜拉索在运营期间的涡激共振问题，以某跨海大桥为工程背景，借助健康监测系统，重点关注桥位处的风场特性和拉索振动响应，通过分析拉索振动加速度均方根值，寻找容易发生异常振动的拉索编号及其发生的时段，通过分析该时段风场特性和振动加速度强弱关系，认识其振动发生原因及机理，通过频域分析，对其振动模态进行研究，发现斜拉索更易发生高阶的涡振，而且常是多模态涡振。
1、引言
斜拉桥属于缆索承重体系，其通过斜拉索为主梁提供竖向支撑，将主梁的大部分弯矩转化为桥塔竖向压力，具有体系受力合理、跨越能力大、造型美观等优点。随着斜拉桥跨度的不断增加，斜拉索也变得更长、更轻、更柔，再加上拉索固有阻尼低等特点，很容易在环境激励下产生大幅度的振动。
作为斜拉桥的重要承重构件，拉索频繁发生大幅振动会降低自身使用寿命，进而影响整体结构的服役性能。运营期的拉索更换不仅会使交通受阻，还会造成巨额经济损失，因此，对于运营期的桥梁，及时发现拉索异常振动现象，分析其产生的原因并提出减振措施就显得尤为重要。
对于跨海桥梁，其所处的地形地貌较开阔平坦，风荷载是运营期间不可忽视的荷载之一。当风流过拉索时，在尾流中会出现交替脱落的旋涡，当旋涡脱落频率与结构某阶固有频率接近时，就会发生相互作用，引发拉索在横风向上的振动，简称涡激共振。
涡激共振是一种限幅振动，具有强迫兼自激的特性。针对拉索涡激共振开展的研究，包括但不限于力学理论推导、CFD数值模拟、风洞试验、现场实测等。王修勇等在洞庭湖大桥上安装了拉索振动观测系统，通过现场实测对拉索的涡激共振的发生条件、振动特点等做了分析，结果表明拉索除存在经典涡振，还存在轴向流引起的高折减风速下的涡振。储彤结合金塘大桥健康监测系统，分析了斜拉索涡振现象，指出由于风的脉动性及拉索竖向高差大等原因，拉索的涡激共振可能是多阶次的，而且当风速太小时，能量不足以激发明显的涡振，因此观测到的往往为高阶涡振，振动的阶次随时间推移也会转换。吴广润通过仿真分析了被动控制和主动控制对涡振的抑振效果，得出结论被动控制中，阻尼器的阻尼比存在最优值，最优阻尼比应按振动最强的涡振阶数来设计，而且，阻尼器安装位置对涡振抑振效果有明显影响。刘志文等以苏通长江公路大桥为背景，通过现场布置风速仪和加速度传感器，对拉索风振响应特性进行分析，并通过风洞实验研究了阻尼比和不同气动措施的抑振效果。
本文以某跨海大桥为工程背景，结合健康监测系统实测数据，对运营期间斜拉索发生的异常振动进行研究及判别，通过对其发生的涡振特点分析，期望对后续的斜拉索抑振方案提供依据。
二、大桥健康监测系统
该跨海大桥位于舟山市，主结构为双塔单索面结合梁斜拉桥，分三跨布置，两边跨均设置辅助墩，跨径组合为（57+108+340+108+57）m。
斜拉索采用中央索面布置，呈扇形，全桥共152根拉索。大桥主桥配有健康监测系统，监测项目可划分为荷载源、结构静动力响应两大部分：
(1) 重要环境荷载监测：
包括环境风荷载、环境温湿度、结构温度、车辆荷载、地震船撞作用。
(2) 结构静动力特性监测：
包括主塔/主梁空间变位、主梁挠度、结构应力、梁端/支座位移、斜拉索振动、主梁振动。
该大桥主桥结构形式和健康监测系统主要监测项目及测点布置信息见图1。
其中，大桥在西北侧塔顶部布设一台螺旋桨式风速仪，监测塔顶的风速和风向；在主跨跨中钢箱梁桥面布设一台三向超声风速仪，监测桥面风速和方向，风速的采样频率为10Hz。斜拉索的振动监测考虑一定的分布性和兼顾各种索型号，一共设置了36个加速度传感器，采样频率为50Hz。
三、斜拉索相应特征分析
（一） 基于监测数据的异常振动判别
本次分析选用2020年3月1日至2021年3月1日监测数据，为识别斜拉索异常振动情况，统计分析36根斜拉索10分钟加速度均方根值，并采用箱形图做异常振动判别，其基本流程如下：
（1）对每根斜拉索，计算每十分钟的加速度均方根值，并将其作为一个样本，对同一根斜拉索的监测期内的所有样本值按从小到大排列；
（2）对每根斜拉索，计算其样本集合的下四分位数(Q1)、中位数(Q2)、上四分位数(Q3)：下四分位数等于该集合中所有样本由小到大排列后第25%样本值，中位数等于该集合中所有样本由小到大排列后第50%样本值，上四分位数等于该集合中所有样本由小到大排列后第75%样本值；
（3）计算上四分位数和下四分位数之间的差值，即四分位数差(IQR=Q3-Q1)，将大于上四分位数1.5倍四分位数差的值作为上限，将小于下四分位数1.5倍四分位数差的值作为下限，上下限之外的样本值判定为异常值，箱形图示意见图2。
36根斜拉索的箱形图处理结果见图3。从斜拉索RMS 统计的箱形图可以看出，对于西北侧斜拉索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。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。
（二） 风荷载相关性分析
对2020年3月1日至2021年3月1日间桥面和塔顶的风速、风向角进行监测，绘制风速时程和风速-风向角极点图，受限于篇幅，这里仅展示塔顶所监测的风荷载信息，见图4，桥面风速略小于塔顶风速，风向-风速分布规律相近。
对于上述发生较强振动的斜拉索，绘制其加速度均方根值和风速、风向间的散点图，分析其相关性，见图5，受限于篇幅，仅展示部分拉索的加速度均方根值与风场相关性图。
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
资料来源：《中国公路学会养护与管理分会第十二届学术年会论文集》
| 
京公网安备 11010802022300号
