基于健康監測數據的平行鋼絞線斜拉索風致振動分析

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 年首次應用于美國新港懸索橋，實現了大跨度纜索橋梁高強材料應用的一大飛躍，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勢，在工程應用中逐漸得到推廣[1]。隨著平行鋼絞線斜拉索防護及錨固措施的不斷發展，其優勢進一步凸顯，在國內及國際上的應用也越來越多[2]。

在實際工程應用中，隨著橋梁跨徑的增加，單根斜拉索長度增加。由于其柔度大、質量小且阻尼小，在日常運營過程中，健康監測系統監測數據監測表明，斜拉索外荷載作用下，斜拉索處于振動狀態[3]。在特殊條件，風、雨、車輛荷載等疊加作用下，斜拉索可能會發生風致振動，斜拉索風致振動主要表現為渦激振動、馳振及風雨激振[4]。

本文以某跨江大橋為工程背景，基于健康監測系統實測數據，對平行鋼絞線斜拉索風致振動開展分析。分析平行鋼絞線斜拉索振動數據特征，開展斜拉索振動與風速風向、主梁振動及主塔振動相關性分析，研究鋼絞線風致振動特征及成因。

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，鋼束束數為73。全橋共224 根斜拉索。斜拉索在主梁上采用錨拉板構造錨固，在索塔上采用鋼錨梁構造錨固，張拉端設置在塔端（圖1）。

圖1 主橋總布置圖

本橋布設有健康監測系統，可較為全面地獲取斜拉索振動、橋面風速、主梁振動及索塔振動等數據，這為鋼絞線斜拉索振動特征分析及風致振動成因分析提供可靠的數據支撐。

2 平行鋼絞線斜拉索振動特征

2.1 振動數據

選擇跨中J28#下游側斜拉索，對其日常運行過程中的振動數據進行分析。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頻率-索力關系進行索力計算[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。在頻率大于7 Hz 范圍內，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有關[6]。

2.3 風-索振動相關性分析

本橋橋面主跨跨中位置處布設有風速儀，可獲取風速及風向數據，選取同時間段橋面風速數據開展分析。該時間段內，橋面最大瞬時風速17.08 m/s，10 min 平均風速12.58 m/s。為掌握斜拉索振動與風速風向的關系，分析10 min 平均風速與斜拉索加速度RMS、風向與斜拉索加速度RMS 之間的關系，分析結果如圖3 所示。

圖3 J28#斜拉索振動RMS 與風速RMS 及風向相關性分析

結果表明，日常運營過程中，斜拉索振動加速度隨風速的增大呈現一定增大趨勢，且在風向為125～145°（橋軸角110°）時，斜拉索振動較大。

3 風致振動

3.1 風致振動情況

2022 年1 月28 日，大橋健康監測系統監測數據提示，J28#斜拉索加速度瞬時值最大達到389.1 mg，且持續處于較大振動加速度。結合監控視頻及現場巡查發現，平行鋼絞線斜拉索發生大幅振動，長索振動明顯。振動情況主要出現在中長索，并會引起其附近斜拉索的振動。同時在振動發生時，斜拉索出現異常，初步判斷聲音產生于斜拉索與護套/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#斜拉索振動數據，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，即關注前15 階頻率。

圖4 2022 年1 月28 日J28#振動數據

分析結果表明，J28#斜拉索在13：00—18：00 發生大幅振動，最大振動均方根值為87.22 mg。其頻譜分析結果表明，該斜拉索振動特征與日常運營過程中表現出明顯差異，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性分析

選取同時間段橋面風速、風向情況，并于斜拉索振動相關性進行分析如圖5 所示。

圖5 風速風向時程曲線及斜拉索振動相關性

在此期間，橋面10 min 平均風速穩定在8～15 m/s，風向穩定在160°～180°，10 min 最大風速為14.63 m/s。在風速為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據，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

根據振動時段的風速數據，結合理論計算斜拉索渦激振動風速，斜拉索不具備存在渦激振動的條件。斜拉索異常振動期間，橋位處有寒潮經過，橋梁現場均有降雨/降雪，橋面空氣溫度在0 ℃左右，具備拉索上結冰/覆雪/雨線的氣象條件，且現場視頻顯示，斜拉索發生大幅振動時，出現冰雪狀物掉落情況。

與馳振相關的結冰主要有：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，使得斜拉索氣動外形有所改變[7-8]。由于一階模態頻率最低，其對應的馳振臨界風速較低，本次振動主要表現為一階振動，振動加速度在可接受范圍內，但會導致振幅相對較大。

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2 個卓越頻率與J28#斜拉索基頻呈倍數關系（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 倍關系，說明塔-索-梁之間存在耦合振動，這也符合內共振/參數振動的特征[9-10]。

4 結論

本文基于健康監測系統所監測風速風向、斜拉索振動、主梁振動及索塔振動數據，對日常運營條件下、風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，主要研究結論如下：

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

2）寒潮及降雨/降雪導致斜拉索啟動外形改變，在一定風速及風攻角范圍內，導致斜拉索出現馳振。振動模態主要以1 階為主，斜拉索振動幅度較大。

3）根據主梁及索塔振動分析結果，在斜拉索發生風致振動情況下，塔-索-梁之間出現耦合振動，斜拉索同時也出現了共振/參數振動。