日本桥梁和建筑结构监测的研究与实施综述丨Engineering(15)

RWIV的激发机制已成为研究热点；然而，由于这种现象不仅涉及风和缆索的特性，还涉及液体在钝头体上的流动性，因此，研究清楚RWIV的实际激发机制是一件非常具有挑战性的工作。Yamaguchi是最早提出利用模型来解释这种现象的人之一，在这个模型中，振动机制被分成两步来解释。在雨天，缆索表面刚开始会形成水沟。后来这些水沟改变了缆索的几何截面和相关的空气动力情况。由于冲角的微小变化，水沟易使升力呈现负斜率，从而显著降低牵引阻力。这些综合效应最终导致了Den-Hartog型驰振的不稳定性。
对许多大跨度斜拉桥的观测证实了类似的RWIV，包括对日本的Aratsu桥和Tempozan桥以及世界各地的其他桥梁的观测（参考文献提供了这些观测的完整列表）。长期来看，振动会引起斜拉索的疲劳问题并导致锚索的损坏。目前，研究人员已经进行了大量的实验研究和分析研究，确定了对抗这种振动的措施。现在，我们可以通过对缆索进行机械控制或对缆索表面进行处理来有效抑制这种振动。
监测是研究与极端风载荷相关的失效原因的重要手段，因为流体与结构之间的相互作用可能会引发罕见的现象，而这些现象在风洞中不易重现。例如，研究人员研究了1999年至2011年间4次强风和台风过程中所观测到的哈口桥塔的非预期顺风向振动现象，重点研究了该桥塔的单频振动。这座桥被安装了一个永久性的风振和地震监测系统，该系统由被放置在14个位置的27个振动传感器通道组成。传感器包括22个单轴加速度计通道、两个单轴位移传感器和一个三轴自由场强震仪[图11（a）]。为了监测风速和风向，在中心跨度的中间位置和北塔的顶部位置[图11（a）中的F1和F2]分别安装了两个超声波风速计（DA-600；Kaijo Denki，日本）。所有传感器同时测量响应，每10 min记录一次数据，采样频率为20 Hz。
长期的风振监测记录了在四个不同年份的强风事件下，即1999年3月（3月6日和22日）、2005年12月（12月25~28日）、2006年（6月29日和7月12日）和2011年11月（11月20~22日），桥塔的振动。在这些事件中，研究人员在桥梁的132 m 高的H形钢塔的背风面塔腿上观测到了单频顺风振动。振动仅在风速为13~24 m·s–1 的范围内发生，具有一定的迎角度数[图11（c）和（d）]。研究者观测到了两个主要的单频振动，即频率为0.6 Hz和0.8 Hz的单频振动。它们具有类似于图11（e）和（f）所示的涡激振动的特性。频率为0.6 Hz和0.8 Hz的单频振动分别与桥塔的局域同相模态和异相模态有关。在风速在13~24 m·s–1 的范围之外，或者当风向垂直于桥塔时，桥塔响应的主要特征是具有冲击趋势的随机响应。