劉宗杰，祝志文, 2，陳魏，陳政清

跨長(zhǎng)江特大橋拉索渦激振動(dòng)與風(fēng)特性觀測(cè)

劉宗杰1，祝志文1, 2，陳魏1，陳政清1

(1. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2. 汕頭大學(xué) 土木與環(huán)境工程系，廣東 汕頭 515063)

為研究跨長(zhǎng)江特大橋拉索風(fēng)致振動(dòng)的類(lèi)別與風(fēng)特性的關(guān)系，基于大橋健康檢測(cè)系統(tǒng)和自開(kāi)發(fā)的拉索振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)荊岳長(zhǎng)江大橋橋址風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，記錄拉索振動(dòng)數(shù)據(jù)并對(duì)拉索風(fēng)致振動(dòng)加速度與風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)性進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：橋址平均風(fēng)速的非平穩(wěn)特性顯著；隨著風(fēng)速增大湍流度逐漸減小。在低風(fēng)速下，來(lái)流湍流強(qiáng)度較大，拉索振動(dòng)隨風(fēng)速增大而增大；當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)湍流強(qiáng)度逐漸減小，拉索振動(dòng)加速度將減?。焕髡駝?dòng)可為平面內(nèi)振動(dòng)也可為平面外振動(dòng)，為多模態(tài)風(fēng)致渦激振動(dòng)，且JB02號(hào)拉索在一定風(fēng)速條件下面內(nèi)振動(dòng)與面外振動(dòng)基本相同，當(dāng)風(fēng)速變化，可出現(xiàn)更高階的振動(dòng)。拉索面內(nèi)渦激振動(dòng)分段時(shí)程分析表明，拉索振動(dòng)幅值增加，主導(dǎo)模態(tài)頻率不改變，各模態(tài)振動(dòng)幅值增加，但隨風(fēng)速的增大，拉索的渦激振動(dòng)可在更高風(fēng)速下被鎖定，從而導(dǎo)致拉索發(fā)生更高階的渦激振動(dòng)。另外，湍流度小于40%時(shí)拉索振幅較大，湍流度增大拉索渦激振動(dòng)加速度反而減小，且拉索的渦激振動(dòng)只在特定的風(fēng)向角下發(fā)生。

拉索；渦激振動(dòng)；風(fēng)特性；多模態(tài)；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

斜拉索為斜拉橋的主要受力構(gòu)件之一。主梁和橋面系恒載以及橋上活載大部分通過(guò)拉索傳遞到橋塔。斜拉索因長(zhǎng)度大，易呈現(xiàn)剛度小和阻尼低的特點(diǎn)，容易在外部激勵(lì)，如自然風(fēng)作用下發(fā)生大幅度振動(dòng)。斜拉橋工程實(shí)踐表明，斜拉索的風(fēng)致振動(dòng)包括：渦激振動(dòng)、尾流馳振、參數(shù)振動(dòng)和風(fēng)雨振 等[1]。渦激振動(dòng)是拉索在常遇風(fēng)速下發(fā)生的一種風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象，其發(fā)生頻次高，使得拉索本身尤其是其錨固系統(tǒng)或機(jī)械阻尼控制裝置易發(fā)生長(zhǎng)期的疲勞損傷，且拉索渦激振動(dòng)還會(huì)使管養(yǎng)單位和橋面通行人員有不安全感，從而給橋梁正常運(yùn)營(yíng)帶來(lái)隱患。Hikami等[2]在Meiko Nishi Bridge發(fā)現(xiàn)了斜拉索在雨水和風(fēng)作用下引起的拉索振動(dòng)，并且成功地在風(fēng)洞中再現(xiàn)了類(lèi)似的人工降水振動(dòng)，同時(shí)指出，斜拉索也可以在沒(méi)有降水的條件下由于拉索的軸向漩渦脫落而振動(dòng)。Matsumoto等[3]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究認(rèn)為拉索的風(fēng)致振動(dòng)由渦激振動(dòng)引起，并討論了卡門(mén)漩渦在振動(dòng)中的作用。ZUO等[4]對(duì)Fred Hartman大橋開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析了拉索風(fēng)雨激振和渦激振動(dòng)的相似和不同之處。目前研究拉索風(fēng)致振動(dòng)的主要方法有風(fēng)洞試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和計(jì)算風(fēng)工程等，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是研究風(fēng)荷載和拉索風(fēng)致振動(dòng)最直接和最可靠的手段。本文以荊岳長(zhǎng)江大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，基于大橋健康檢測(cè)系統(tǒng)和自開(kāi)發(fā)的拉索振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)平均風(fēng)速和風(fēng)向、湍流度，以及拉索振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)記錄拉索振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)拉索的多模態(tài)振動(dòng)特性進(jìn)行分析，并對(duì)拉索振動(dòng)與風(fēng)場(chǎng)相關(guān)性進(jìn)行研究。

1 測(cè)量系統(tǒng)介紹

荊岳長(zhǎng)江大橋是主跨為816 m混合梁斜拉橋，主梁采用分離式雙邊箱梁結(jié)構(gòu)，中跨和北邊跨采用扁平鋼箱梁結(jié)構(gòu)，南邊跨采用PC箱梁結(jié)構(gòu)，跨度組合為(100+298) m+816 m+(80+2×75) m。橋塔為雙柱H形結(jié)構(gòu)，南塔高224.5 m，北塔高267 m。斜拉索按扇形布置在豎直平面內(nèi)，由208根斜拉索組成了平行雙索面，每個(gè)索面由26對(duì)高強(qiáng)度平行鋼絲斜拉索組成，全橋共4×26對(duì)，橫橋向斜拉索索距為35 m，順橋向標(biāo)準(zhǔn)梁段索距為15 m，北邊跨尾索區(qū)標(biāo)準(zhǔn)索距為13 m。

如圖1所示，在靠近北塔的JB01和JB02號(hào)拉索上安裝雙向加速度傳感器，傳感器安裝高度為6.22 m，加速度傳感器采樣頻率為100 Hz，量程為±2.5，測(cè)量精度為6 mg。同時(shí)在北塔和南塔的塔頂處安裝超聲風(fēng)速儀，采樣頻率為1 Hz ，在跨中橋面處安裝螺旋槳風(fēng)速儀，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。

2 橋址風(fēng)場(chǎng)特性

荊岳長(zhǎng)江大橋位于洞庭湖平原，屬于Ⅰ類(lèi)地貌，紊流強(qiáng)度較小，比較容易激發(fā)拉索的渦激振動(dòng)，而對(duì)于位于峽谷中的橋梁，風(fēng)容易受附近山體的干擾，紊流度往往比較大。本文選取2019年4月9號(hào)8點(diǎn)到4月10號(hào)8點(diǎn)的24 h風(fēng)速數(shù)據(jù)，其10 min平均風(fēng)速如圖2所示，可見(jiàn)橋址風(fēng)速的非平穩(wěn)特性顯著；南塔塔頂風(fēng)速與北塔塔頂風(fēng)速變化趨勢(shì)以及風(fēng)速大小基本一致，跨中橋面與塔頂風(fēng)速的變化趨勢(shì)保持一致。北塔塔頂最大風(fēng)速超過(guò)17 m/s。

圖1 主橋橋型布置圖

圖2 10 min平均風(fēng)速時(shí)程曲線(xiàn)

圖3為北塔塔頂處風(fēng)速計(jì)給出的1 min時(shí)距湍流度隨風(fēng)速的變化，低風(fēng)速時(shí)風(fēng)中的脈動(dòng)風(fēng)成分占比較大，塔頂湍流度最大達(dá)到了0.56。且隨著風(fēng)速增大，湍流度逐漸減小，風(fēng)速13 m/s時(shí)湍流度與規(guī)范值[5]接近，但增大風(fēng)速湍流度進(jìn)一步減小。

圖4為北塔頂?shù)娘L(fēng)玫瑰圖，可見(jiàn)北塔處主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)。由于橋址處的主導(dǎo)風(fēng)向與橋梁縱橋向夾角較大，引起拉索的振動(dòng)為橫風(fēng)向風(fēng)振，風(fēng)在拉索的兩側(cè)背后產(chǎn)生交替的漩渦，由一側(cè)接著向另一側(cè)脫落，形成卡門(mén)渦列，從而使拉索表面的風(fēng)壓呈周期性的變化，作用方向與風(fēng)向垂直，交替渦流引起拉索的振動(dòng)，并且當(dāng)渦激脫落頻率接近拉索的固有頻率時(shí)，拉索將產(chǎn)生渦激共振[6]。

圖3 北塔塔頂湍流度隨風(fēng)速變化

圖4 塔頂風(fēng)玫瑰圖

3 拉索振動(dòng)特性

在4月9日8點(diǎn)到15點(diǎn)時(shí)風(fēng)速較大，拉索振動(dòng)較為明顯，故選取上述時(shí)段中8點(diǎn)到15點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該時(shí)段JB01號(hào)拉索與JB02號(hào)拉索均有較為明顯的振動(dòng)，因此需要分析JB01號(hào)拉索以及JB02號(hào)拉索的振動(dòng)特性。JB01號(hào)拉索長(zhǎng)度為137.66 m，拉索直徑為103 mm，傾斜角為82.4°，初始張力為2 066 kN，JB02號(hào)拉索長(zhǎng)度為144.39 m，拉索直徑為103 mm，傾斜角為77°，初始張力為1 735 kN，且JB01號(hào)拉索和JB02號(hào)拉索處沒(méi)有設(shè)置外置阻尼器。

3.1 JB01號(hào)拉索振動(dòng)分析

圖5展示了JB01號(hào)拉索的加速度時(shí)程，可見(jiàn)面內(nèi)加速度遠(yuǎn)大于面外加速度，最大的面內(nèi)加速度為2.5，而對(duì)應(yīng)時(shí)刻的面外加速度響應(yīng)僅為0.5。拉索的振動(dòng)加速度隨著風(fēng)速的變化而顯著變化。

圖5 JB01索加速度時(shí)程

圖6展示了JB01號(hào)拉索在風(fēng)荷載激勵(lì)下1 min的面內(nèi)加速度均方根值與1 min面外加速度的均方根值的關(guān)系，可以看出面內(nèi)加速度與面外加速度有明顯的線(xiàn)性關(guān)系，面內(nèi)加速度約為面外加速度的5.6倍。因此，在后續(xù)分析中僅分析JB01號(hào)拉索的面內(nèi)振動(dòng)。

取4月9日10點(diǎn)拉索振動(dòng)較大處5 min數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，可得到頻譜圖如圖7所示，拉索振動(dòng)為高階多模態(tài)振動(dòng)，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是平均風(fēng)速在邊界層隨著高度的增加，而斯托羅哈數(shù)與平均風(fēng)速呈線(xiàn)性關(guān)系，因此對(duì)于一根傾斜的拉索，可以沿著拉索軸線(xiàn)的不同高度處以不同的模態(tài)頻率鎖定渦流脫落[7]，而塔頂風(fēng)速與橋面平均風(fēng)速之比為1.4，這使得JB01號(hào)拉索振動(dòng)可能出現(xiàn)多種模態(tài)。此外，由圖7可以看出，相鄰2階模態(tài)頻率之差為0.99 Hz，也即JB01號(hào)拉索的基頻，該時(shí)程的主導(dǎo)頻率為11.81，12.8和13.82 Hz，分布在11~14 Hz之間，分別對(duì)應(yīng)拉索的第12，13和14階模態(tài)。由于拉索的振動(dòng)不是以單一模態(tài)頻率振動(dòng)，因此在拉索減震設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行多模態(tài)振動(dòng)的減震，對(duì)于JB01號(hào)拉索，只需控制其面內(nèi)振動(dòng)即可。

圖6 JB01索加速度時(shí)程

圖7 面內(nèi)加速度時(shí)程頻譜圖

在風(fēng)荷載作用下，拉索的振動(dòng)響應(yīng)不是單調(diào)增加或者單調(diào)減小，拉索的加速度時(shí)程曲線(xiàn)由很多響應(yīng)段組成，為了解拉索在不同時(shí)間的響應(yīng)特性，取其中典型響應(yīng)段進(jìn)行分析。圖8為9點(diǎn)20分開(kāi)始的900 s的加速度實(shí)測(cè)曲線(xiàn)圖，這段時(shí)間內(nèi)拉索振動(dòng)加速度較大，面內(nèi)加速度最大值達(dá)到了1.5。如圖所示，0~300 s拉索振動(dòng)幅度最小，加速度均方根為0.13，橋面平均風(fēng)速為9.5 m/s。300~600 s拉索振動(dòng)幅度逐漸增大，這段時(shí)間加速度均方根為0.48，橋面平均風(fēng)速為8.5 m/s。600~900 s拉索振動(dòng)幅度相對(duì)較大，加速度均方根為0.95，橋面平均風(fēng)速為9.2 m/s。

圖8 9:20起900 s加速度時(shí)程

圖9~11分別為歸一化后加速度頻譜圖隨時(shí)間的變化。圖9為9點(diǎn)20分開(kāi)始300 s，可以看出，該響應(yīng)段為高階多模態(tài)振動(dòng)，主導(dǎo)頻率為 11.77 Hz和12.74 Hz，對(duì)應(yīng)著拉索的第12階和第13階模態(tài)，并且主導(dǎo)頻率沒(méi)有隨時(shí)間而發(fā)生明顯變化。圖10為14點(diǎn)40分開(kāi)始第300~600 s，主導(dǎo)頻率為 11.77 Hz，這段時(shí)間內(nèi)拉索振動(dòng)加速度逐漸增加，可以看出主導(dǎo)模態(tài)的振動(dòng)幅度也是隨時(shí)間逐漸增加。圖11為14點(diǎn)40分開(kāi)始第600~900 s，主導(dǎo)頻率為11.77 Hz，這段時(shí)間拉索振動(dòng)加速度增加到1.5后保持穩(wěn)定，可以看出拉索的振動(dòng)模態(tài)階數(shù)沒(méi)有變化，主導(dǎo)模態(tài)的振動(dòng)幅值較為穩(wěn)定。

圖12為10點(diǎn)左右加速度響應(yīng)最大時(shí)的3 s時(shí)程曲線(xiàn)，基于測(cè)量的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)，為估計(jì)拉索的位移響應(yīng)模態(tài)分量[8]，假設(shè)拉索的振動(dòng)加速度響應(yīng)可以由個(gè)分量的形式近似表示為：

其中：a為拉索的加速度響應(yīng)；Ai為第i個(gè)加速度響應(yīng)的模態(tài)分量；ωi為第i個(gè)模態(tài)的角速度頻率；φi為第i個(gè)模態(tài)的相位角。

圖10 300~600 s加速度時(shí)程頻譜圖

圖11 600~900 s加速度時(shí)程頻譜圖

圖12 3 s加速度時(shí)程曲線(xiàn)段

拉索的振動(dòng)最大的3 s內(nèi)，拉索的振動(dòng)主要由第12階，第13階以及第14階模態(tài)引起，因此加速度響應(yīng)可以通過(guò)這3階模態(tài)比較好的擬合。其中ω已知，而A與φ可以通過(guò)曲線(xiàn)擬合得到。由此可得到拉索加速度響應(yīng)的擬合曲線(xiàn)，如圖13所示，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)之間有良好的一致性。借助理論性狀的模態(tài)組合，估計(jì)拉索在測(cè)量點(diǎn)出的位移響應(yīng)模態(tài)分量如圖14所示，第12階，第14階模態(tài)貢獻(xiàn)了絕大部分的位移響應(yīng)。

圖13 實(shí)測(cè)加速度時(shí)程曲線(xiàn)與擬合曲線(xiàn)

3.2 JB02號(hào)拉索振動(dòng)分析

圖15為JB02號(hào)拉索8點(diǎn)到15點(diǎn)的加速度時(shí)程，圖16展示了JB02號(hào)拉索在風(fēng)荷載激勵(lì)下1 min的面內(nèi)加速度均方根值與1 min面外加速度的均方根值的關(guān)系，在11點(diǎn)40分之前，面內(nèi)加速度與面外加速度基本相等，在11點(diǎn)40分之后，面內(nèi)加速度為面外加速度的3.04倍，因此后續(xù)的分析中需要對(duì)拉索的面內(nèi)振動(dòng)與面外振動(dòng)均進(jìn)行分析。

圖14 拉索位移響應(yīng)

圖15 JB02索加速度時(shí)程

圖16 JB02索加速度時(shí)程

圖17 加速度時(shí)程頻譜圖

對(duì)JB02號(hào)拉索進(jìn)行分析，取8點(diǎn)50分振動(dòng)最大處進(jìn)行頻譜分析，可得到JB02號(hào)拉索面內(nèi)以及面外振動(dòng)頻譜圖如圖17所示，此時(shí)JB02拉索此時(shí)的面內(nèi)振動(dòng)模態(tài)與面外振動(dòng)模態(tài)基本一致。JB02號(hào)拉索的振動(dòng)基頻為0.89 Hz，面內(nèi)振動(dòng)以及面外振動(dòng)主導(dǎo)頻率均為13.15，14.04和14.93 Hz，分布在13~15 Hz之間，分別對(duì)應(yīng)拉索的第15，16和17階模態(tài)。

JB02號(hào)拉索在11點(diǎn)44分之后面內(nèi)加速度遠(yuǎn)大于面外加速度，對(duì)其變化前后5 min的面內(nèi)振動(dòng)與面外振動(dòng)分別進(jìn)行頻譜分析。如圖18和圖19所示，在加速度變化的過(guò)程中，拉索的面內(nèi)振動(dòng)與面外振動(dòng)的主導(dǎo)模態(tài)以及模態(tài)轉(zhuǎn)移情況保持一致，在11點(diǎn)44分前，JB02號(hào)拉索的面內(nèi)振動(dòng)與面外振動(dòng)的主導(dǎo)頻率均為17.84 Hz，為第20階模態(tài)，在11點(diǎn)44分后，拉索的模態(tài)發(fā)生了轉(zhuǎn)移，JB02號(hào)拉索的面內(nèi)振動(dòng)與面外主導(dǎo)頻率最終穩(wěn)定在25.4 Hz，為第28階模態(tài)。在主導(dǎo)模態(tài)變化的相近時(shí)間段內(nèi)，風(fēng)速增大，導(dǎo)致其主導(dǎo)模態(tài)發(fā)生了明顯的改變，由多階高模態(tài)振動(dòng)變?yōu)榱藛坞A高模態(tài)振動(dòng)，且面內(nèi)面外的主導(dǎo)模態(tài)頻率保持一致。由圖15中JB02拉索的加速度時(shí)程曲線(xiàn)可知，其在11點(diǎn)左右，加速度有明顯的減小，在此后的44 min內(nèi)面內(nèi)與面外加速度較小但面內(nèi)加速度與面外加速度仍然基本保持一致，在11點(diǎn)44分時(shí)，面內(nèi)加速度以及面外加速度均突然增大且面內(nèi)加速度遠(yuǎn)大于面外加速度，這是由于風(fēng)速增大，導(dǎo)致拉索渦激振動(dòng)的渦激力也增大，同時(shí)渦旋脫落的頻率也增大，而導(dǎo)致斜拉索在11點(diǎn)43分在頻率25.4 Hz產(chǎn)生了渦激振動(dòng)，導(dǎo)致了拉索更高階的振動(dòng)。

圖18 面內(nèi)加速度時(shí)程頻譜圖

圖19 面外加速度時(shí)程頻譜圖

對(duì)于JB02號(hào)拉索在整個(gè)過(guò)程中，其拉索的主導(dǎo)頻率由8點(diǎn)50分時(shí)的12~15 Hz變?yōu)榱?1點(diǎn)44分的25 Hz，拉索的鎖定頻率發(fā)生了較大的變化。由于此時(shí)來(lái)風(fēng)方向與拉索夾角為35°~45°之間，因此引起的拉索振動(dòng)為垂直風(fēng)向也即與拉索平面的面內(nèi)以及面外均有振動(dòng)。對(duì)于JB01以及JB02號(hào)拉索，由于其特性的不同，而導(dǎo)致了2根拉索面內(nèi)外振動(dòng)響應(yīng)不同，JB01號(hào)拉索振動(dòng)以面內(nèi)振動(dòng)為主，JB02號(hào)拉索既會(huì)出現(xiàn)面內(nèi)振動(dòng)也會(huì)出現(xiàn)面外振動(dòng)。在拉索渦激振動(dòng)的控制中，往往忽略了拉索的面外振動(dòng)，而實(shí)際上在風(fēng)荷載作用下，拉索也會(huì)產(chǎn)生較大的面外渦激振動(dòng)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成破壞，影響拉索的使用壽命。

4 拉索振動(dòng)特性

圖20為JB01與JB02拉索振動(dòng)加速度隨橋面平均風(fēng)速的變化，圖20表明，JB01拉索的振動(dòng)是受風(fēng)速所限制的，拉索的振動(dòng)加速度隨著平均風(fēng)速增大，風(fēng)速位于7~11 m/s時(shí)拉索的振幅最大，當(dāng)風(fēng)速小于13 m/s時(shí)，風(fēng)的湍流強(qiáng)度遠(yuǎn)大于規(guī)范值，因此更容易引起拉索的振動(dòng)。JB02號(hào)拉索振動(dòng)，由于主導(dǎo)頻率較高，因此振動(dòng)加速度相比JB01號(hào)拉索振動(dòng)加速度較小，且JB02號(hào)拉索在風(fēng)速位于8~18 m/s之間時(shí)拉索振幅最大。渦激振動(dòng)是一種較低風(fēng)速下發(fā)生的有限振幅振動(dòng)，同時(shí)渦激振動(dòng)只有在某一風(fēng)速區(qū)間內(nèi)發(fā)生[9]，JB01號(hào)以及JB02號(hào)拉索的振動(dòng)滿(mǎn)足渦激振動(dòng)的振動(dòng)特征。

圖20 拉索振動(dòng)幅值隨平均風(fēng)速變化

圖21為拉索振動(dòng)加速度隨北塔塔頂風(fēng)湍流度的變化，圖21表明，拉索振動(dòng)主要發(fā)生在湍流度小于40%的范圍內(nèi)，當(dāng)湍流度大于0.4之后振動(dòng)幅值明顯減小。因此拉索的振動(dòng)在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)，且來(lái)流湍流強(qiáng)度較小時(shí)，拉索的振動(dòng)幅值最大[10]。

圖22為JB01號(hào)拉索和JB02號(hào)拉索振動(dòng)加速度隨風(fēng)向角的變化，圖22結(jié)果表明，斜拉索的振動(dòng)幅值與風(fēng)向角具有較大的相關(guān)性。當(dāng)來(lái)流與橋軸向成60度或者240度附近時(shí)，JB01拉索振動(dòng)幅度最大，當(dāng)來(lái)流與橋軸向成60度或者120度附近時(shí)，JB02拉索振動(dòng)幅度最大。在其他風(fēng)向角下，拉索的振動(dòng)幅度相對(duì)較小。拉索振動(dòng)時(shí)來(lái)流風(fēng)向并不垂直于橋軸向，因此拉索發(fā)生面內(nèi)振動(dòng)的同時(shí)也伴隨著面外振動(dòng)。

圖21 拉索振動(dòng)幅值隨湍流度變化

圖22 拉索振動(dòng)幅值隨風(fēng)向角變化

5 結(jié)論

1) 橋址風(fēng)速的非平穩(wěn)特性顯著，低風(fēng)速下塔頂湍流度較大，隨著風(fēng)速增大，湍流度逐漸減小，低風(fēng)速下較大的湍流度導(dǎo)致拉索大幅度振動(dòng)。

2) 拉索振動(dòng)可為平面內(nèi)振動(dòng)也可為平面外振動(dòng)，為多模態(tài)風(fēng)致渦激振動(dòng)，且JB02號(hào)拉索在一定風(fēng)速條件下面內(nèi)振動(dòng)與面外振動(dòng)基本相同，當(dāng)風(fēng)速變化，可出現(xiàn)更高階的振動(dòng)。

3) 拉索在振動(dòng)時(shí)為高階多模態(tài)渦激振動(dòng)，拉索振動(dòng)幅值增大，主導(dǎo)模態(tài)頻率不變，但是各模態(tài)振動(dòng)幅值增大。但隨風(fēng)速的增大，拉索的渦激振動(dòng)可在更高風(fēng)速下被鎖定，從而導(dǎo)致拉索發(fā)生更高階的渦激振動(dòng)。

4) 拉索振動(dòng)隨風(fēng)速增大，湍流度小于40%時(shí)拉索振幅較大，湍流度增大對(duì)拉索渦激振動(dòng)起抑制作用，拉索振動(dòng)減小。并且拉索只在特定的風(fēng)向角情況下出現(xiàn)大幅度的渦激振動(dòng)，其他風(fēng)向角下，拉索的振動(dòng)幅度較小。

[1] 儲(chǔ)彤. 某大跨度斜拉橋風(fēng)場(chǎng)與斜拉索渦激振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2013. CHU Tong. In-situ monitoring investigfations for wind field and vortex-induced vibrations of stayed cables in a large-span cable stayed bridge[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2013.

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Observation of vortex-induced vibration and wind characteristics of cables across the Yangtze river bridge

LIU Zongjie1, ZHU Zhiwen1, 2, CHEN Wei1, CHEN Zhengqing1

(1. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China; 2. Department of Civil and Environment Engineering, Shantou University, Shantou 515063, China)

In order to study the relationship between the wind-induced vibration type of the cable across the Yangtze River Bridge and the wind characteristics, based on the bridge health detection system and the self-developed cable vibration monitoring system, the wind field characteristics of the Jingyue Yangtze River Bridge site were monitored and recorded. The cable vibration data was studied and the correlation between wind-induced vibration acceleration and wind field was studied. The research shows that the average wind speed of the bridge site is not stable. With the increase of wind speed, the turbulence gradually decreases. At low wind speed, the incoming turbulence intensity is large, and the cable vibration increases with the wind speed increase. When the wind speed increases, the turbulent flow intensity decreases gradually, and the cable vibration acceleration will decrease. The vibration of the cable can be in-plane vibration or out-of-plane vibration. It is multi-modal wind-induced vortex-induced vibration, and the in place-vibration of JB02 cable under the certain wind speed condition is basically the same as the out-of-plane vibration. When the wind speed changes, it can appear higher order vibration. The time-history analysis of the vortex-induced vibration in the cable plane shows that the vibration amplitude of the cable increases, the dominant mode frequency does not change, and the amplitude of each mode vibration increases. However, as the wind speed increases, the vortex of the cable increases. Vibration can be locked at higher wind speeds, resulting in higher order vortex-induced vibrations of the cable. In addition, when the turbulence is less than 40%, the amplitude of the cable is large, and the turbulence increases, and the vortex acceleration of the cable decreases, and the vortex-induced vibration of the cable occurs only at a specific wind direction angle.

cable; vortex induced vibration; wind characteristics; multi-modality; on-site monitoring

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190834

U441+.4

A

1672 ? 7029(2020)07 ? 1760 ? 09

2019?09?17

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2015CB057701)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51878269)；湖南省研究生創(chuàng)新資助項(xiàng)目(521293361)

祝志文(1968?)，男，湖南益陽(yáng)人，教授，博士，從事工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究；E?mail：zhuzw@stu.edu.cn

(編輯 涂鵬)