大跨度斜拉桥主塔竖转施工期风振响应实测与分析_钟仁亮.pdf

低温建筑技术-结构工程Dec.2022 No.294DOI：10.13905/ki.dwjz.2022.12.025大跨度斜拉桥主塔竖转施工期风振响应实测与分析FIELD MEASUREMENT AND ANALYSIS OF WIND-INDUCED VIBRATION RESPONSES OF ALONG-SPAN CABLE-STAYED BRIDGE DURING THE VERTICAL ROTATION OF THE TOWER钟仁亮1，张伟威2，刘振1，何飞1，吴文洋1（1.中建八局发展建设有限公司，山东 青岛 266000；2.哈尔滨工程大学，哈尔滨 150001）ZHONG Renliang1,ZHANG Weiwei2,LIU Zhen1,HE Fei1,WU Wenyang1（1.China Construction Eighth Bureau Development and Construction Co.,Ltd.,Shandong Qingdao 266000,China;2.HarbinEngineering University,Harbin 150001,China）【摘要】为研究斜拉桥桥塔竖转施工阶段结构风致振动响应，结合青岛市海洋活力区海口路跨风河新建桥梁结构健康监测系统，实测主塔竖向转体施工期桥位风环境和结构振动加速度，采用统计方法分析主塔和主梁的振动响应与桥位风速的关系。结果显示，桥塔竖转施工主要引起主塔顺桥向和主梁横向的振动；主塔顺桥向、横桥向以及主梁竖向振动加速度响应与平均风速基本呈线性关系，说明斜拉桥竖转期间风环境对桥梁结构的振动影响不容忽视，为斜拉桥主塔竖转施工的安全性提供参考。【关键词】斜拉桥；竖转；结构健康监测系统；风振响应；现场实测【中图分类号】TU312【文献标志码】A【文章编号】1001-6864（2022）12-0114-05Abstract：The wind-induced vibration response of the structure during the vertical rotation construction stage ofthe cable-stayed bridge tower is studied.A structural health monitoring system is employed in the new bridge acrossthe river on Haikou Road,Qingdao Ocean Vitality Zone.The wind environment and structural vibration accelerationof the bridge during the vertical rotation construction of the main tower are measured,and the relationship among thevibration response of the main tower,the main beam,and the wind speed of the bridge is analyzed by statistical method.The results show that the vertical rotation construction of the bridge tower mainly causes the vibration of themain tower along the bridge direction and the horizontal vibration of the main girder;the vibration acceleration response along the bridge direction,transverse direction of the main tower,and the vertical direction of the main girderis basically linear with the average wind speed,which indicates that the influence of the wind environment on the vibration of the bridge structure during the vertical rotation of the cable-stayed bridge cannot be ignored,providingthe reference for the safety of the vertical rotation construction of the main tower of the cable-stayed bridge.Key words：cable-stayed bridge;vertical rotation;structural health monitoring system;wind-induced vibration response;field measurement0引言近年来斜拉桥施工技术得到不断发展，斜拉桥受力合理，跨越能力大，桥型美观，但由于其桥跨较长，结构趋于轻柔、阻尼小、风作用十分敏感，其结构安全性得到广泛关注。在众多影响桥梁结构安全的因素中，由风环境引起的风致振动问题日益突出1，2。为了进行桥梁风特性和振动响应研究，对结构进行健康监测成为最普遍的研究方法。斜拉桥成桥后风环境及风致抖振响应的实测研究已趋于成熟。Bietry J等3对Saint-Nazaire斜拉桥在日常风环境下的风致振动响应进行了实测并与Davenport准定常抖振理论进行了对比检验，而斜拉桥在海风或台风环境下的振动响应也引起了广泛关注，YiZhou等4基于长期结构健康监测数据，重点研究了大风对东海大桥独特跨海斜拉桥振动响应和模态参数变化的影响。研究表明大风在东海大桥的大梁横向振动中占主导地位。王浩等5对台风作用下苏通大桥的抖振响应进行了现场实测研究。国内外众多学者也对斜拉桥施工期间桥位风特性和风振响应进行了实测研究，Lei Yan等6对某斜拉桥施工过程中的抖振响应和风环境进行了实测，分析桥位强风特性。刘志文等7针对施工期湖南郴州赤石大桥桥位风特性及风致振动响应进行了现场实测与分析。然而对于主塔竖向转体施工过程中的斜拉桥，风基金项目 国家自然科学基金项目（52278297）114环境引起的风致振动问题目前并未得到广泛关注，原因在于斜拉桥主塔施工很少采用竖转法，且在竖转期桥塔仅受到牵引索和转铰等的约束，其横桥向受约束较少，因此竖转期结构受风环境的影响不容忽视，对主塔竖转期斜拉桥的振动和风环境进行监测是必要的。文中利用青岛市海洋活力区海口路跨风河新建桥梁健康监测系统中三维超声波风速仪与加速度传感器实时采集数据，对桥位风场作用下该桥在主塔竖向转体期的主塔、主梁构件动力响应特性进行实测分析。1工程概况青岛市海洋活力区海口路跨风河新建桥梁总长377m，第二联主桥采用291m独塔斜拉连续梁协作体系，主跨侧斜拉索采用扇形式布置，边跨采用网状式斜拉索。主跨采用2.5m高钢箱梁，主跨标准段桥面宽度为38.6m，索塔采用竖向倾斜非对称大半径圆形钢混结合构造，索塔横桥向为对称人字形。塔底标高-0.8m，塔顶标高90.4m，钢混结合面标高16.254m。塔柱截面采用切角六边形截面。工程斜拉桥主塔采用“横拼竖转”法施工，主塔混凝土节段、T0钢混结合段及部分T1节段属于固定端，在T1节段内部设置正式转铰，T1节段及其上端的钢主塔节段、钢主塔塔肢之间的横梁在卧拼支架上拼装成整体；为减少现场转体辅助结构投入，充分利用钢主塔自身截面大、抗弯性能好，在主塔的塔肢上设置压杆，在无索道管的部位设置后锚点，通过牵引索和拉索将主塔竖向转体至设计位置，竖转完成后焊接转铰处钢节段。桥为国内首座超大体量A形钢主塔竖向转体工程，桥梁钢主塔转体重量达到2300多吨，塔肢内倾角高达19，居国内“A”型钢主塔转体之最。斜拉桥主塔竖转施工见图1。2风场及振动监测系统监测系统主要包括传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据中心子系统以及结构安全预警子系统。传感器子系统包括三维超声波风速仪和电容式加速度传感器。数据采集子系统包括动态采集仪和DTU。动态采集仪可以采集加速度传感器从结构接触表面获得的数据信息，三维超声波风速仪、动态采集仪可以直接与DTU相连，DTU将数据信息通过无线网络发送到云端服务器，并在监测平台进行展示。数据中心子系统和结构安全预警子系统全部集成在服务器监测平台中。监测结构沿桥梁中线呈轴对称，因中线两侧桥梁结构的力学响应在理论上是相同的，为了降低监测成本，简化监测程序，仅在桥梁单侧（朝风河水流向）布设传感器。2.1加速度传感器布置加速度是结构振动的表现形式之一，当前监测相关规范对桥梁振动监测的传感器推荐使用加速度传感器。根据规范JT/T 1037-2022 公路桥梁结构监测技术规范 要求：主梁竖向和横向振动监测测点应根据主梁振动振型确定，宜布设在振型峰值点处，避开振型节点；测点位置应至少包括主跨跨中和1/4、3/4主跨；主梁竖向振动监测测点宜布设在塔梁连接处或支座位置处；塔顶水平振动监测测点应在塔顶双向布设。为得到斜拉桥振动振型以确定主梁和主塔振动监测测点，建立成桥状态斜拉桥三维模型，对其进行结构模态分析。文中选择MIDAS/Civil作为建模和计算的软件。主塔和主梁选择梁单元，拉索选择桁架单元，主梁下部结构用相应约束代替进而简化模型。采用Ritz向量法进行结构的振型分析8。为了达到规范振型参与质量不小于90%的要求，计算输入与三个平动地震相关30阶振型。观察斜拉桥振型形状，主梁纵移、主梁一阶对称竖弯、主梁一阶反对称竖弯、主梁二阶反向竖弯以及桥塔扭转等振型形状全都涵盖在内。文中以主梁二阶反向竖弯振型为依据选择部分加速度传感器测点。结合斜拉桥成桥状态下振动模态分析结果以及规范要求，布置加速度传感器。其中主塔顶顺桥和横桥方向各布置1只加速度传感器；钢主梁和混凝土主梁上共布置7个测点，其中钢主梁五等分节点和混凝土主梁四等分节点的测点上分别布置横向、竖向两只加速度传感器，其他主梁上的5个测点均布设1只加速度传感器。加速度传感器每只独立连接，每个测点均布置在桥塔侧面（朝风河水流向），如图2所示。2.2三维超声波风速仪布置三维超声波风速仪是为了监测斜拉桥桥位的风场，为桥塔转体及运营状态下的抖振响应分析提供数图1斜拉桥主塔竖转施工主跨钢梁驮运支架压杆待转主塔图2加速度传感器测点布置T11段顺桥向和横桥向竖向和横向钢主梁 竖向和横向混凝土主梁加速度传感器测点位置115低温建筑技术-结构工程Dec.2022 No.294据。三维超声波风速仪具有耐久性好、安装方便、能同时输出风速和风向的特点。限于监测成本，在桥塔顶部及桥面高度分别布设一只三维超声波风速仪，为了保证施工方便及走线隐蔽性，选择沿塔侧（朝风河水流向）走线，三维超声波风速仪布线见图3。3主塔竖转期风振响应实测分析青岛市海洋活力区海口路跨风河新建桥梁于2022年9月24日9月25日进行桥塔竖向转体施工，其中 9 月 24 日 7：009：00 转体时长为 2h，9 月 25 日8：0016：00转体时长8h，整个转体共用时10h。文中选取2022年9月25日8：0016：00桥塔竖转期风速风向及结构振动加速度数据进行分析。3.1桥位风特性实测结果由于桥塔顶部与桥面高度处风速、风向的实测数据变化趋势大致相似，限于篇幅，仅给出桥塔竖转监测期（2022年9月25日8：0016：00）塔顶高度处5min时距平均风速和风向曲线，分析竖转期桥位的风特性。由图4可知，塔顶5min时距平均风速最大值约为15m/s；11：0015：00期间风速较大，有逐渐增大趋势，且对应的风向较为稳定，大致为西北风。3.