程懷宇, 王 浩, 肖士者, 郭 彤, 鄧穩(wěn)平

(東南大學(xué) 混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)

近年來(lái)，我國(guó)建成許多跨江渡海長(zhǎng)大跨橋梁工程，其結(jié)構(gòu)形式主要以懸索橋、斜拉橋?yàn)橹鳎缣K通大橋、潤(rùn)揚(yáng)大橋、馬鞍山大橋等。對(duì)于這些大跨度纜索支承橋梁來(lái)說(shuō)，隨著跨徑的增加，結(jié)構(gòu)剛度減小，使得風(fēng)荷載經(jīng)常成為控制荷載。Tacoma懸索橋發(fā)生顫振風(fēng)毀事故七十年后的今天，橋梁風(fēng)致振動(dòng)早已引起了各國(guó)橋梁工程師們的注意。隨著橋梁風(fēng)工程研究的不斷深入，風(fēng)環(huán)境及風(fēng)致橋梁振動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為其中的熱點(diǎn)課題之一[1-5]。因此，這些新建大跨橋梁均安裝了包括風(fēng)速儀和振動(dòng)傳感器在內(nèi)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(SHMS)[5-7]，用以監(jiān)測(cè)橋位處的風(fēng)環(huán)境以及風(fēng)、車輛等引起的橋梁振動(dòng)。SHMS已成為一個(gè)研究橋梁風(fēng)致振動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)平臺(tái)，近年來(lái)也有不少專家學(xué)者利用SHMS或者橋位現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)下的大橋風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行了研究，如朱樂(lè)東教授等針對(duì)香港青馬大橋進(jìn)行了臺(tái)風(fēng)特性及結(jié)構(gòu)同步風(fēng)致振動(dòng)實(shí)測(cè)研究[6]；陳政清教授等以湖南岳陽(yáng)洞庭湖大橋?yàn)槔?，?duì)大跨多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)斜拉索的風(fēng)雨振進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究[3]。上述研究工作都是以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的。

本課題組近年來(lái)參與了包括潤(rùn)揚(yáng)大橋、蘇通大橋等SHMS的建設(shè)，由于地處東部沿海臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)，這些SHMS每年均能實(shí)時(shí)記錄下經(jīng)過(guò)橋址區(qū)的各類強(qiáng)風(fēng)。與此同時(shí)，鑒于SHMS中風(fēng)速儀數(shù)量較少，且風(fēng)速儀采樣頻率較低，課題組緊密追蹤橋址區(qū)天氣情況，每年臺(tái)風(fēng)期間均上橋進(jìn)行補(bǔ)充實(shí)測(cè)。近年來(lái)開(kāi)展的臺(tái)風(fēng)實(shí)測(cè)研究從2005年的麥莎、卡努開(kāi)始，直至2011年的梅花、2012年的蘇拉、達(dá)維，總計(jì)10余個(gè)臺(tái)風(fēng)[7-8]。大量的實(shí)測(cè)研究表明，臺(tái)風(fēng)作用下大跨纜索支承橋梁會(huì)發(fā)生明顯的側(cè)向、豎向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，尤其以主梁、主纜、吊桿和拉索的振動(dòng)響應(yīng)最為明顯。這就說(shuō)明在結(jié)構(gòu)風(fēng)特性實(shí)測(cè)過(guò)程中，固定在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)速儀自身也是隨著橋梁振動(dòng)不斷往復(fù)運(yùn)動(dòng)的。有必要研究結(jié)構(gòu)自身振動(dòng)對(duì)風(fēng)速儀測(cè)試數(shù)據(jù)可靠性的影響，但目前尚未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，這也正是本文研究工作的意義之所在。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

本實(shí)驗(yàn)的目的是分析結(jié)構(gòu)自身振動(dòng)對(duì)風(fēng)速儀所測(cè)數(shù)據(jù)的影響。為了模擬風(fēng)速儀隨結(jié)構(gòu)自身振動(dòng)的情況，將風(fēng)速儀固定在振動(dòng)臺(tái)上，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)來(lái)模擬安裝在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的風(fēng)速儀基底的振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中振動(dòng)臺(tái)分別輸入韋帕臺(tái)風(fēng)作用下潤(rùn)揚(yáng)大橋主梁跨中橫向振動(dòng)信號(hào)(如圖1)和白噪聲(如圖2)，所測(cè)風(fēng)由風(fēng)機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)所輸出。

圖1 主梁橫向振動(dòng)信號(hào)

圖2 白噪聲

實(shí)驗(yàn)在東南大學(xué)九龍湖校區(qū)土木交通實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，所采用的兩個(gè)風(fēng)速儀分別是英國(guó)Gill儀器設(shè)備公司生產(chǎn)的WindMaster和WindMaster Pro三維超聲風(fēng)速儀，見(jiàn)圖3(a)和(b)，測(cè)量精度設(shè)為0.01 m/s，采樣頻率均設(shè)為10 Hz，數(shù)據(jù)的輸出方式選用了三維直角坐標(biāo)方式。振動(dòng)臺(tái)為WS-Z30小型精密振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)，振動(dòng)頻率為20 Hz，如圖3(c)所示。上述實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備由專用UPS提供穩(wěn)壓電源。實(shí)驗(yàn)安排在實(shí)驗(yàn)室狹長(zhǎng)走道中進(jìn)行，以盡量模擬風(fēng)洞環(huán)境、減小干擾。為了保證各有風(fēng)速輸入工況下來(lái)流風(fēng)場(chǎng)的一致性，所采用的SF7-4型低噪聲軸流風(fēng)機(jī)在不同工況中均以相同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)共設(shè)置了5種工況，為了對(duì)比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，每種工況均采用上述兩臺(tái)不同型號(hào)的風(fēng)速儀分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。每個(gè)工況的數(shù)據(jù)采集均為時(shí)間10 min，具體實(shí)驗(yàn)工況的設(shè)置見(jiàn)表1。分析中以工況1與2的對(duì)比為主，其余工況主要作為對(duì)比和參考。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

2 風(fēng)速數(shù)據(jù)分析處理方法

為了便于分析研究，通常將隨機(jī)的自然風(fēng)V分解成不隨時(shí)間變化的平均風(fēng)U和隨時(shí)間變化的零均值脈動(dòng)風(fēng)v。其中，平均風(fēng)特性主要包括平均風(fēng)速、攻角和風(fēng)向等，表征脈動(dòng)風(fēng)的主要參數(shù)為紊流強(qiáng)度、紊流積分尺度和紊流功率譜密度函數(shù)等[9]。本文重點(diǎn)分析了結(jié)構(gòu)自身振動(dòng)對(duì)平均風(fēng)速和紊流特性的影響，以評(píng)判振動(dòng)給風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可靠性帶來(lái)的影響。

2.1 平均風(fēng)速

三維超聲風(fēng)速儀輸出的三維風(fēng)速數(shù)據(jù)[vx,vy,vz]分別為風(fēng)速儀坐標(biāo)系下各坐標(biāo)方向的風(fēng)速。為了方便分析研究，常采用風(fēng)軸坐標(biāo)系，風(fēng)軸坐標(biāo)系的u軸沿平均風(fēng)U的方向，w軸與u軸垂直且與u軸共同構(gòu)成豎平面，v軸與u、w軸垂直，u、v、w軸的正向構(gòu)成一個(gè)右手坐標(biāo)系[9]。通過(guò)坐標(biāo)變換將實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)[vx,vy,vz]轉(zhuǎn)化到風(fēng)軸坐標(biāo)系下的風(fēng)速[vu,vv,vw]，方法如下：

[vu,vv,vw]=[uvw]-1*[vx,vy,vz]

(1)

(2)

2.2 紊流強(qiáng)度

紊流強(qiáng)度是表征脈動(dòng)風(fēng)特性的主要指標(biāo)之一，對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)有著重要影響。由于研究中通常將風(fēng)場(chǎng)中任一點(diǎn)的瞬時(shí)物理量化為平均值與脈動(dòng)值之和，并分別考慮。紊流強(qiáng)度是用來(lái)表征脈動(dòng)值與平均值比值的量，它定義為風(fēng)的脈動(dòng)分量平均變化幅度(均方差)σu，σv，σw與平均風(fēng)速U之比，順風(fēng)向、橫風(fēng)向和豎向紊流度分別用Iu，Iv，Iw表示，即：

(3)

2.3 紊流積分尺度

(4)

2.4 紊流功率譜密度

作為脈動(dòng)風(fēng)速的另一主要參數(shù)，紊流功率譜密度函數(shù)能夠準(zhǔn)確描述脈動(dòng)風(fēng)中各頻率成分所作貢獻(xiàn)的大小。以1948年Von-Karman提出的自由大氣層的水平縱向脈動(dòng)風(fēng)速譜為例[10]：

(5)

3 風(fēng)特性分析結(jié)果的對(duì)比分析

3.1 對(duì)平均風(fēng)速的影響

平均風(fēng)速是在某段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速平均值，平均風(fēng)速大小直接關(guān)系到風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)作用的大小。本文取時(shí)距10 min計(jì)算平均風(fēng)速，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的順風(fēng)向風(fēng)速時(shí)程曲線如圖4所示，根據(jù)式(1)和式(2)算得各工況下的平均風(fēng)速分別見(jiàn)表2。

圖4 實(shí)測(cè)風(fēng)速時(shí)程曲線

表2 實(shí)測(cè)平均風(fēng)速 (單位：m/s)

由表2可知，WindMaster風(fēng)速儀在基底有無(wú)振動(dòng)下所測(cè)平均風(fēng)速差別較小，采用主梁振動(dòng)和白噪聲時(shí)的差別分別為1.83%和2.68%；WindMaster Pro風(fēng)速儀在基底有無(wú)振動(dòng)時(shí)的平均風(fēng)速差別也較小，采用主梁振動(dòng)和白噪聲時(shí)分別為2.09%和0.26%。因此，結(jié)構(gòu)自身振動(dòng)對(duì)風(fēng)速儀實(shí)測(cè)平均風(fēng)速影響不大。

3.2 對(duì)紊流強(qiáng)度的影響

研究表明，在風(fēng)速小于1.5m/s時(shí)，計(jì)算紊流強(qiáng)度已無(wú)意義[12]，因此，本文僅計(jì)算了1～3工況下的紊流強(qiáng)度。WindMaster和WindMaster Pro測(cè)得的紊流強(qiáng)度分別見(jiàn)表3和表4。

對(duì)比表3和表4可知：① 在振動(dòng)臺(tái)輸入主梁振動(dòng)信號(hào)下，風(fēng)速儀基底的振動(dòng)使兩個(gè)風(fēng)速儀測(cè)得的順風(fēng)向紊流強(qiáng)度都略變大，但增加幅度不明顯，均在5%以內(nèi)。這是由于三維超聲風(fēng)速儀測(cè)得的風(fēng)速是相對(duì)風(fēng)速儀自身的空氣流動(dòng)速度，而風(fēng)速儀振動(dòng)使空氣和風(fēng)速儀間產(chǎn)生了往復(fù)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，增加了風(fēng)脈動(dòng)分量的平均變化幅度。② 由于白噪聲振幅較大，在采用白噪聲輸入時(shí)測(cè)得的順風(fēng)向紊流強(qiáng)度增大幅度較為明顯。③ 橫向和豎向紊流強(qiáng)度在主梁振動(dòng)信號(hào)輸入時(shí)有小幅增加，在白噪聲輸入時(shí)小幅減小。

表3 WindMaster測(cè)得的紊流強(qiáng)度

表4 WindMaster Pro測(cè)得的紊流強(qiáng)度

3.3 對(duì)紊流積分尺度的影響

紊流積分尺度的分析結(jié)果不僅取決于數(shù)據(jù)記錄的長(zhǎng)度和平穩(wěn)程度，還取決于所采用的分析方法。因此，即使對(duì)于同一組數(shù)據(jù)，采用不同的分析方法也將得到不同的結(jié)果[10]。本文中紊流積分尺度均采用較為常用的式(4)求解，結(jié)果如表5和表6所示。

表5 WindMaster測(cè)得的紊流積分尺度

表6 WindMaster Pro測(cè)得的紊流積分尺度

由表5和表6可知：① 相比無(wú)振動(dòng)情況，在振動(dòng)臺(tái)模擬主梁振動(dòng)時(shí)順風(fēng)向的紊流積分尺度均有所增加，當(dāng)白噪聲輸入時(shí)順風(fēng)向紊流積分尺度進(jìn)一步增大。② 在基底振動(dòng)臺(tái)輸入主梁振動(dòng)信號(hào)和白噪聲時(shí)，WindMaster測(cè)得的橫向和豎向紊流積分尺度變化較小，而WindMaster Pro測(cè)得的橫向和豎向紊流積分尺度變化較穩(wěn)明顯，但情況不一致。由于紊流積分尺度分析結(jié)果與所采用的分析方法直接相關(guān)，本次測(cè)試結(jié)果尚有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖5 實(shí)測(cè)順風(fēng)向風(fēng)速功率譜密度

3.4 對(duì)風(fēng)速功率譜密度的影響

實(shí)測(cè)風(fēng)譜分析中，加了Hamming窗以減少由于時(shí)域信號(hào)截?cái)喽鸬念l域信號(hào)泄漏。應(yīng)用分段平滑技術(shù)以減少譜值的隨機(jī)誤差。10 min長(zhǎng)的樣本被分成28段，每段子樣本長(zhǎng)60 s(共600個(gè)數(shù)據(jù))，相鄰兩個(gè)子樣本重疊40 s(共400個(gè)數(shù)據(jù))。每段數(shù)據(jù)被充零至2 048個(gè)，應(yīng)用快速傅立葉變換(FFT)得到各種工況下的風(fēng)速功率譜密度，如圖5和圖6所示。

圖5(a)中WindMaster所測(cè)數(shù)據(jù)顯示，工況2和3的風(fēng)速功率譜密度與工況1差別很小，因此風(fēng)速儀基底振動(dòng)對(duì)風(fēng)速功率譜密度的影響很??；圖5(b)中WindMaster Pro所測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在小于0.5 Hz的相對(duì)低頻部分，工況2和3的風(fēng)速功率譜密度稍大于工況1，表明基底振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致所測(cè)風(fēng)速功率密度的低頻部分略高于實(shí)際情況。圖5(a)和(b)以及圖6的綜合對(duì)比可知，基底振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致所測(cè)風(fēng)速功率密度偏高，這種影響在低頻部分尤為明顯。

4 結(jié) 論

(1) 三維超聲風(fēng)速儀基底有無(wú)振動(dòng)的各種工況下所測(cè)得的平均風(fēng)速表明，基底振動(dòng)對(duì)所測(cè)得的平均風(fēng)速影響較小，試驗(yàn)中的最大差別在2.68%以內(nèi)，對(duì)應(yīng)基底采用白噪聲輸入下由Windmaster風(fēng)速儀測(cè)得的情況。

(2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基底輸入臺(tái)風(fēng)期間的主梁振動(dòng)信號(hào)會(huì)使得風(fēng)速儀實(shí)測(cè)得到的紊流強(qiáng)度值在三個(gè)方向均略有增加，但增加幅度不明顯。就本次實(shí)驗(yàn)而言，增加幅度均在5%以內(nèi)，說(shuō)明主梁振動(dòng)對(duì)紊流強(qiáng)度的影響相對(duì)較小。

(4) 結(jié)構(gòu)自身振動(dòng)會(huì)造成實(shí)測(cè)風(fēng)速功率譜密度函數(shù)值略高于實(shí)際值的情況，而且這種影響在低頻部分更為突出。

必須指出，由于本次試驗(yàn)存在一些不足和可能產(chǎn)生誤差之處包括：實(shí)驗(yàn)未能夠在風(fēng)洞中進(jìn)行，以進(jìn)一步確保來(lái)流風(fēng)場(chǎng)的品質(zhì)；基底振動(dòng)僅僅模擬了橫風(fēng)向振動(dòng)，而實(shí)際結(jié)構(gòu)自身的振動(dòng)包括橫風(fēng)向、順風(fēng)向、豎向以及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)等；兩風(fēng)速儀型號(hào)不同可能導(dǎo)致的儀器誤差等。因此，本文結(jié)論有待將來(lái)的進(jìn)一步驗(yàn)證和完善。

[1]Miyata T, Yamada H, Katsuchi H, et al. Full-scale measruments of Akashi-Kaikyo Bridge during typhoon[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2002, 90:1517-1527.

[2]Brownjohn J M W, Bocciolone M, Curami A, et al. Humber bridge full-scale measurement campaigns 1990-1991[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1994, 52: 185-218.

[3]Chen Z Q, Wang X Y, Ko J M. Field measurements on wind-rain-induced vibration of bridge cables with and without MR dampers[C]. Proceeding of the 3rd world conference of structural control, Como, Italy, 2002.

[4]Hikami Y, Shiraishi N. Rain-wind induced vibration of cables in cable stayed bridges [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1988, 29: 409-418.

[5]李惠, 歐進(jìn)萍. 斜拉橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2006, 39(4): 39-53.

LI Hui, OU Jin-ping. Design and implementation of health monitoring systems for cable-stayed bridges [J]. China Civil Engineering Journal, 2006, 39(4): 39-53.

[6]Xu Y L, Zhu L D. Buffeting response of long-span cable-supported bridges under skew winds: case study[J]. Journal of Sound and Vibration, 2005(281): 675-687.

[7]王浩, 李愛(ài)群, 謝靜, 等. 臺(tái)風(fēng)作用下超大跨度斜拉橋抖振響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2010, 43(7): 71-79.

WANG Hao, LI Ai-qun, XIE Jing, et al. Field measurement of the buffeting response of a super-long-span cable-stayed bridge under typhoon [J]. China Civil Engineering Journal, 2010, 43(7):71-79.

[8]Wang Hao, Li Ai-qun, Jiao Chang-ke. Characteristics of strong winds at the Runyang Suspension Bridge based on field tests from 2005 to 2008[J]. Journal of Zhejiang University-Science A, 2010, 11(7): 465-476.

[9]陳政清. 橋梁風(fēng)工程[M]. 北京:人民交通出版社, 2005.

[10]項(xiàng)海帆. 現(xiàn)代橋梁抗風(fēng)理論與實(shí)踐[M]. 北京: 人民交通出版社, 2005.

[11]Simiu E, Scanlan R H. Wind effects on structures. 3rd edition, John Wiley & Sons, 1996.

[12]武占科, 趙林, 朱樂(lè)東, 等. “羅莎”(0716)臺(tái)風(fēng)高空實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)特性分析[J]. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 28(3): 291-296.

WU Zhan-ke, ZHAO Lin, ZHU Le-dong, et al. High-altitude observation about turbulence characteristics for “Krosa” (0716) strong typhoon[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2010, 28(3): 291-296.