基于健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的平行鋼絞線斜拉索風(fēng)致振動分析

李良才

（安徽省銅陵市長江公路大橋管理處，安徽 銅陵 244000）

目前斜拉橋采用的斜拉索類型主要有平行鋼絲斜拉索和平行鋼絞線斜拉索。平行鋼絲斜拉索1968 年首次應(yīng)用于美國新港懸索橋，實現(xiàn)了大跨度纜索橋梁高強材料應(yīng)用的一大飛躍，其后在國際上得到廣泛推廣。平行鋼絞線斜拉索具有運輸方便、安裝快速等特點，同時在受力特性、防腐性能及后期維護上均具有突出優(yōu)勢，在工程應(yīng)用中逐漸得到推廣[1]。隨著平行鋼絞線斜拉索防護及錨固措施的不斷發(fā)展，其優(yōu)勢進一步凸顯，在國內(nèi)及國際上的應(yīng)用也越來越多[2]。

在實際工程應(yīng)用中，隨著橋梁跨徑的增加，單根斜拉索長度增加。由于其柔度大、質(zhì)量小且阻尼小，在日常運營過程中，健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)監(jiān)測表明，斜拉索外荷載作用下，斜拉索處于振動狀態(tài)[3]。在特殊條件，風(fēng)、雨、車輛荷載等疊加作用下，斜拉索可能會發(fā)生風(fēng)致振動，斜拉索風(fēng)致振動主要表現(xiàn)為渦激振動、馳振及風(fēng)雨激振[4]。

本文以某跨江大橋為工程背景，基于健康監(jiān)測系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)，對平行鋼絞線斜拉索風(fēng)致振動開展分析。分析平行鋼絞線斜拉索振動數(shù)據(jù)特征，開展斜拉索振動與風(fēng)速風(fēng)向、主梁振動及主塔振動相關(guān)性分析，研究鋼絞線風(fēng)致振動特征及成因。

1 工程概況

針對某跨江斜拉橋，其主橋為五跨雙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，斜拉索采用抗拉標準強度為1 860 MPa平行鋼絞線斜拉索。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348.99 m，J28#索，型號為錨具型號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)測系統(tǒng)，可較為全面地獲取斜拉索振動、橋面風(fēng)速、主梁振動及索塔振動等數(shù)據(jù)，這為鋼絞線斜拉索振動特征分析及風(fēng)致振動成因分析提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2 平行鋼絞線斜拉索振動特征

2.1 振動數(shù)據(jù)

選擇跨中J28#下游側(cè)斜拉索，對其日常運行過程中的振動數(shù)據(jù)進行分析。由圖2 可知，其最大瞬時加速度為86.95 mg，10 min 振動均方根值（RMS）為19.56 mg。

圖2 J28#斜拉索日常運行振動特性

2.2 振動特征

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

對J28#斜拉索時頻情況進行計算，得到其頻率在時間上的分布情況，并對其進行歸一化處理，如圖2（c）所示。由圖2（c）可知，J28#斜拉索振動能量主要集中于前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)，斜拉索振動能量較為分散，這與鋼絞線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)，選取同時間段橋面風(fēng)速數(shù)據(jù)開展分析。該時間段內(nèi)，橋面最大瞬時風(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RMS 與風(fēng)速RMS 及風(fēng)向相關(guān)性分析

結(jié)果表明，日常運營過程中，斜拉索振動加速度隨風(fēng)速的增大呈現(xiàn)一定增大趨勢，且在風(fēng)向為125～145°（橋軸角110°）時，斜拉索振動較大。

3 風(fēng)致振動

3.1 風(fēng)致振動情況

2022 年1 月28 日，大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)提示，J28#斜拉索加速度瞬時值最大達到389.1 mg，且持續(xù)處于較大振動加速度。結(jié)合監(jiān)控視頻及現(xiàn)場巡查發(fā)現(xiàn)，平行鋼絞線斜拉索發(fā)生大幅振動，長索振動明顯。振動情況主要出現(xiàn)在中長索，并會引起其附近斜拉索的振動。同時在振動發(fā)生時，斜拉索出現(xiàn)異常，初步判斷聲音產(chǎn)生于斜拉索與護套/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J28#斜拉索振動數(shù)據(jù)，進行傅里葉變換并分析得到傅里葉時頻圖，如圖4 所示，其中傅里葉時頻圖選擇0～6 Hz，即關(guān)注前15 階頻率。

圖4 2022 年1 月28 日J28#振動數(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，最大振動均方根值為87.22 mg。其頻譜分析結(jié)果表明，該斜拉索振動特征與日常運營過程中表現(xiàn)出明顯差異，1 階振動頻譜表征明顯，識別斜拉索基頻為0.413 2 Hz。傅里葉時頻圖直觀反映出斜拉索振動能量集中程度的變化情況，在0：00—13：00 及18：00—24：00期間，斜拉索振動能量主要集中于5—15 階，而在13：00—18：00，振動能量主要集中于1 階。

3.2 斜拉索振動特征及相關(guān)性分析

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

圖5 風(fēng)速風(fēng)向時程曲線及斜拉索振動相關(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，斜拉索加速度較大。

選取全天主塔及主梁振動數(shù)據(jù)，對其進行分析，獲取時程曲線、頻譜圖及時頻圖如圖6 所示。

圖6 2022 年1 月28 日主塔及主梁振動特性

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)振動幅值突然增大。對索塔及主梁在13：00—18：00 的頻率進行識別，其中索塔所識別卓越頻率為0.413 5、0.827 6 Hz，主梁所識別卓越頻率為0.188 3、0.280 4、0.412 4、1.219 Hz。

3.3 斜拉索振動成因分析

根據(jù)振動時段的風(fēng)速數(shù)據(jù)，結(jié)合理論計算斜拉索渦激振動風(fēng)速，斜拉索不具備存在渦激振動的條件。斜拉索異常振動期間，橋位處有寒潮經(jīng)過，橋梁現(xiàn)場均有降雨/降雪，橋面空氣溫度在0 ℃左右，具備拉索上結(jié)冰/覆雪/雨線的氣象條件，且現(xiàn)場視頻顯示，斜拉索發(fā)生大幅振動時，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 ℃，在其降落過程中對流熱量流失，使其掉落在拉索上時快速凍結(jié)，使得斜拉索氣動外形有所改變[7-8]。由于一階模態(tài)頻率最低，其對應(yīng)的馳振臨界風(fēng)速較低，本次振動主要表現(xiàn)為一階振動，振動加速度在可接受范圍內(nèi)，但會導(dǎo)致振幅相對較大。

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

4 結(jié)論

本文基于健康監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測風(fēng)速風(fēng)向、斜拉索振動、主梁振動及索塔振動數(shù)據(jù)，對日常運營條件下、風(fēng)致振動情況下的平行鋼絞線斜拉索振動特點、振動成因開展研究，主要研究結(jié)論如下：

1）平行鋼絞線斜拉索在日常風(fēng)、車輛荷載激勵條件，頻譜識別結(jié)果呈現(xiàn)明顯的倍頻效應(yīng)，同對其振動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)，斜拉索振動能量較為分散。

2）寒潮及降雨/降雪導(dǎo)致斜拉索啟動外形改變，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。振動模態(tài)主要以1 階為主，斜拉索振動幅度較大。

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