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)。