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        基于健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平行鋼絞線(xiàn)斜拉索風(fēng)致振動(dòng)分析

        2023-08-28 03:08:20李良才
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2023年24期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)致索塔拉索

        李良才

        (安徽省銅陵市長(zhǎng)江公路大橋管理處,安徽 銅陵 244000)

        目前斜拉橋采用的斜拉索類(lèi)型主要有平行鋼絲斜拉索和平行鋼絞線(xiàn)斜拉索。平行鋼絲斜拉索1968 年首次應(yīng)用于美國(guó)新港懸索橋,實(shí)現(xiàn)了大跨度纜索橋梁高強(qiáng)材料應(yīng)用的一大飛躍,其后在國(guó)際上得到廣泛推廣。平行鋼絞線(xiàn)斜拉索具有運(yùn)輸方便、安裝快速等特點(diǎn),同時(shí)在受力特性、防腐性能及后期維護(hù)上均具有突出優(yōu)勢(shì),在工程應(yīng)用中逐漸得到推廣[1]。隨著平行鋼絞線(xiàn)斜拉索防護(hù)及錨固措施的不斷發(fā)展,其優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步凸顯,在國(guó)內(nèi)及國(guó)際上的應(yīng)用也越來(lái)越多[2]。

        在實(shí)際工程應(yīng)用中,隨著橋梁跨徑的增加,單根斜拉索長(zhǎng)度增加。由于其柔度大、質(zhì)量小且阻尼小,在日常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)表明,斜拉索外荷載作用下,斜拉索處于振動(dòng)狀態(tài)[3]。在特殊條件,風(fēng)、雨、車(chē)輛荷載等疊加作用下,斜拉索可能會(huì)發(fā)生風(fēng)致振動(dòng),斜拉索風(fēng)致振動(dòng)主要表現(xiàn)為渦激振動(dòng)、馳振及風(fēng)雨激振[4]。

        本文以某跨江大橋?yàn)楣こ瘫尘?,基于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)平行鋼絞線(xiàn)斜拉索風(fēng)致振動(dòng)開(kāi)展分析。分析平行鋼絞線(xiàn)斜拉索振動(dòng)數(shù)據(jù)特征,開(kāi)展斜拉索振動(dòng)與風(fēng)速風(fēng)向、主梁振動(dòng)及主塔振動(dòng)相關(guān)性分析,研究鋼絞線(xiàn)風(fēng)致振動(dòng)特征及成因。

        1 工程概況

        針對(duì)某跨江斜拉橋,其主橋?yàn)槲蹇珉p塔雙索面組合梁半漂浮體系斜拉橋(圖1),跨徑布置為(78+228+638+228+78)m,斜拉索采用抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa平行鋼絞線(xiàn)斜拉索。全橋共采用15.2-31、15.2-43、15.2-55、15.2-61、15.2-73 五種規(guī)格的錨具,拉索最長(zhǎng)348.99 m,J28#索,型號(hào)為錨具型號(hào)15.2-73,鋼束束數(shù)為73。全橋共224 根斜拉索。斜拉索在主梁上采用錨拉板構(gòu)造錨固,在索塔上采用鋼錨梁構(gòu)造錨固,張拉端設(shè)置在塔端(圖1)。

        圖1 主橋總布置圖

        本橋布設(shè)有健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可較為全面地獲取斜拉索振動(dòng)、橋面風(fēng)速、主梁振動(dòng)及索塔振動(dòng)等數(shù)據(jù),這為鋼絞線(xiàn)斜拉索振動(dòng)特征分析及風(fēng)致振動(dòng)成因分析提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

        2 平行鋼絞線(xiàn)斜拉索振動(dòng)特征

        2.1 振動(dòng)數(shù)據(jù)

        選擇跨中J28#下游側(cè)斜拉索,對(duì)其日常運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由圖2 可知,其最大瞬時(shí)加速度為86.95 mg,10 min 振動(dòng)均方根值(RMS)為19.56 mg。

        圖2 J28#斜拉索日常運(yùn)行振動(dòng)特性

        2.2 振動(dòng)特征

        采用傅里葉變換獲取J28#斜拉索振動(dòng)頻譜及時(shí)頻圖,由圖2(b)可知,J28#斜拉索頻譜識(shí)別效果良好,前20 階倍頻特征明顯,其中所識(shí)別斜拉索基頻為0.412 6 Hz。平行鋼絞線(xiàn)斜拉索采用振動(dòng)法,可有效識(shí)別其基頻并根據(jù)頻率-索力關(guān)系進(jìn)行索力計(jì)算[5]。

        對(duì)J28#斜拉索時(shí)頻情況進(jìn)行計(jì)算,得到其頻率在時(shí)間上的分布情況,并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理,如圖2(c)所示。由圖2(c)可知,J28#斜拉索振動(dòng)能量主要集中于前15 階,其在前15 階具有明顯的倍頻效應(yīng)。在頻率大于7 Hz 范圍內(nèi),斜拉索振動(dòng)能量較為分散,這與鋼絞線(xiàn)斜拉索各索股之間的接觸效應(yīng)有關(guān)[6]。

        2.3 風(fēng)-索振動(dòng)相關(guān)性分析

        本橋橋面主跨跨中位置處布設(shè)有風(fēng)速儀,可獲取風(fēng)速及風(fēng)向數(shù)據(jù),選取同時(shí)間段橋面風(fēng)速數(shù)據(jù)開(kāi)展分析。該時(shí)間段內(nèi),橋面最大瞬時(shí)風(fēng)速17.08 m/s,10 min 平均風(fēng)速12.58 m/s。為掌握斜拉索振動(dòng)與風(fēng)速風(fēng)向的關(guān)系,分析10 min 平均風(fēng)速與斜拉索加速度RMS、風(fēng)向與斜拉索加速度RMS 之間的關(guān)系,分析結(jié)果如圖3 所示。

        圖3 J28#斜拉索振動(dòng)RMS 與風(fēng)速RMS 及風(fēng)向相關(guān)性分析

        結(jié)果表明,日常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,斜拉索振動(dòng)加速度隨風(fēng)速的增大呈現(xiàn)一定增大趨勢(shì),且在風(fēng)向?yàn)?25~145°(橋軸角110°)時(shí),斜拉索振動(dòng)較大。

        3 風(fēng)致振動(dòng)

        3.1 風(fēng)致振動(dòng)情況

        2022 年1 月28 日,大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提示,J28#斜拉索加速度瞬時(shí)值最大達(dá)到389.1 mg,且持續(xù)處于較大振動(dòng)加速度。結(jié)合監(jiān)控視頻及現(xiàn)場(chǎng)巡查發(fā)現(xiàn),平行鋼絞線(xiàn)斜拉索發(fā)生大幅振動(dòng),長(zhǎng)索振動(dòng)明顯。振動(dòng)情況主要出現(xiàn)在中長(zhǎng)索,并會(huì)引起其附近斜拉索的振動(dòng)。同時(shí)在振動(dòng)發(fā)生時(shí),斜拉索出現(xiàn)異常,初步判斷聲音產(chǎn)生于斜拉索與護(hù)套/將軍帽的撞擊或者斜拉索絲股之間的撞擊。

        選擇2022 年1 月28 日J(rèn)28#斜拉索振動(dòng)數(shù)據(jù),進(jìn)行傅里葉變換并分析得到傅里葉時(shí)頻圖,如圖4 所示,其中傅里葉時(shí)頻圖選擇0~6 Hz,即關(guān)注前15 階頻率。

        圖4 2022 年1 月28 日J(rèn)28#振動(dòng)數(shù)據(jù)

        分析結(jié)果表明,J28#斜拉索在13:00—18:00 發(fā)生大幅振動(dòng),最大振動(dòng)均方根值為87.22 mg。其頻譜分析結(jié)果表明,該斜拉索振動(dòng)特征與日常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中表現(xiàn)出明顯差異,1 階振動(dòng)頻譜表征明顯,識(shí)別斜拉索基頻為0.413 2 Hz。傅里葉時(shí)頻圖直觀反映出斜拉索振動(dòng)能量集中程度的變化情況,在0:00—13:00 及18:00—24:00期間,斜拉索振動(dòng)能量主要集中于5—15 階,而在13:00—18:00,振動(dòng)能量主要集中于1 階。

        3.2 斜拉索振動(dòng)特征及相關(guān)性分析

        選取同時(shí)間段橋面風(fēng)速、風(fēng)向情況,并于斜拉索振動(dòng)相關(guān)性進(jìn)行分析如圖5 所示。

        圖5 風(fēng)速風(fēng)向時(shí)程曲線(xiàn)及斜拉索振動(dòng)相關(guān)性

        在此期間,橋面10 min 平均風(fēng)速穩(wěn)定在8~15 m/s,風(fēng)向穩(wěn)定在160°~180°,10 min 最大風(fēng)速為14.63 m/s。在風(fēng)速為12~14 m/s 時(shí),斜拉索加速度較大。

        選取全天主塔及主梁振動(dòng)數(shù)據(jù),對(duì)其進(jìn)行分析,獲取時(shí)程曲線(xiàn)、頻譜圖及時(shí)頻圖如圖6 所示。

        圖6 2022 年1 月28 日主塔及主梁振動(dòng)特性

        索塔最大加速度為16.39 mg,主梁為32.18 mg,索塔及主梁均在13:00 后出現(xiàn)振動(dòng)幅值突然增大。對(duì)索塔及主梁在13:00—18:00 的頻率進(jìn)行識(shí)別,其中索塔所識(shí)別卓越頻率為0.413 5、0.827 6 Hz,主梁所識(shí)別卓越頻率為0.188 3、0.280 4、0.412 4、1.219 Hz。

        3.3 斜拉索振動(dòng)成因分析

        根據(jù)振動(dòng)時(shí)段的風(fēng)速數(shù)據(jù),結(jié)合理論計(jì)算斜拉索渦激振動(dòng)風(fēng)速,斜拉索不具備存在渦激振動(dòng)的條件。斜拉索異常振動(dòng)期間,橋位處有寒潮經(jīng)過(guò),橋梁現(xiàn)場(chǎng)均有降雨/降雪,橋面空氣溫度在0 ℃左右,具備拉索上結(jié)冰/覆雪/雨線(xiàn)的氣象條件,且現(xiàn)場(chǎng)視頻顯示,斜拉索發(fā)生大幅振動(dòng)時(shí),出現(xiàn)冰雪狀物掉落情況。

        與馳振相關(guān)的結(jié)冰主要有:混合淞、雨凇、濕雪,濕雪附加物形成溫度主要在-1~2 ℃,在其降落過(guò)程中對(duì)流熱量流失,使其掉落在拉索上時(shí)快速凍結(jié),使得斜拉索氣動(dòng)外形有所改變[7-8]。由于一階模態(tài)頻率最低,其對(duì)應(yīng)的馳振臨界風(fēng)速較低,本次振動(dòng)主要表現(xiàn)為一階振動(dòng),振動(dòng)加速度在可接受范圍內(nèi),但會(huì)導(dǎo)致振幅相對(duì)較大。

        同時(shí),在斜拉索振動(dòng)期間,主梁及索塔振動(dòng)出現(xiàn)增大,且主梁振動(dòng)卓越頻率主要以低中頻為主。主梁振動(dòng)出現(xiàn)2 個(gè)卓越頻率與J28#斜拉索基頻呈倍數(shù)關(guān)系(1 倍、3 倍),而索塔所識(shí)別卓越頻率與J28#斜拉索基頻呈1 倍及2 倍關(guān)系,說(shuō)明塔-索-梁之間存在耦合振動(dòng),這也符合內(nèi)共振/參數(shù)振動(dòng)的特征[9-10]。

        4 結(jié)論

        本文基于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)風(fēng)速風(fēng)向、斜拉索振動(dòng)、主梁振動(dòng)及索塔振動(dòng)數(shù)據(jù),對(duì)日常運(yùn)營(yíng)條件下、風(fēng)致振動(dòng)情況下的平行鋼絞線(xiàn)斜拉索振動(dòng)特點(diǎn)、振動(dòng)成因開(kāi)展研究,主要研究結(jié)論如下:

        1)平行鋼絞線(xiàn)斜拉索在日常風(fēng)、車(chē)輛荷載激勵(lì)條件,頻譜識(shí)別結(jié)果呈現(xiàn)明顯的倍頻效應(yīng),同對(duì)其振動(dòng)能量主要集中于低頻范圍(小于7 Hz),在頻率大于7 Hz范圍內(nèi),斜拉索振動(dòng)能量較為分散。

        2)寒潮及降雨/降雪導(dǎo)致斜拉索啟動(dòng)外形改變,在一定風(fēng)速及風(fēng)攻角范圍內(nèi),導(dǎo)致斜拉索出現(xiàn)馳振。振動(dòng)模態(tài)主要以1 階為主,斜拉索振動(dòng)幅度較大。

        3)根據(jù)主梁及索塔振動(dòng)分析結(jié)果,在斜拉索發(fā)生風(fēng)致振動(dòng)情況下,塔-索-梁之間出現(xiàn)耦合振動(dòng),斜拉索同時(shí)也出現(xiàn)了共振/參數(shù)振動(dòng)。

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