日本桥梁和建筑结构监测的研究与实施综述丨Engineering(16)

由于桥塔和主梁之间横向振动的耦合，使得桥塔的单频振动大大增加了主梁的横向振动。

图11 在Hakucho桥桥塔上的顺风涡激振动：（a）Hakucho桥上的永久监测系统（AM和AK分别表示桥塔和主梁上的加速度计的位置；F表示风速仪的位置）；（b）在四个强风条件下观测到的桥塔面内加速度的均方根（RMS）与在塔顶测得的平均风速之间的关系；（c）实验观测到的现象与风速之间的关系；（d）实验观测到的现象与风向之间的关系（其中MF表示多频，SF表示单频）；（e）在2005年12月26日的强风情况下所记录的桥塔面内振动频率为0.6 Hz的示例（左）及其频谱傅里叶振幅（右）；（f）在2005年12月26日的强风情况下所记录的桥塔面内振动频率为0.8 Hz的示例（右）及其频谱傅里叶振幅（左）。利用有限元模型分析生成的两种桥塔局部模态：（g）频率为0.603 Hz的同相模态桥塔；（h）频率为0.775 Hz的异相模态桥塔
为了阐明振动机理，在对监测数据进行分析的基础上，研究人员还进行了详细的有限元分析和风洞试验研究。有限元分析表明，频率为0.6 Hz的单频振动对应于桥塔的局域面内同相模态[图11（g）]，而频率为0.8 Hz的单频振动则对应于桥塔的局域面内异相模态[图11（h）]。这两种模态是以桥塔为主导的模态，主梁和缆索等其他组件的参与度较低。
研究人员采用1︰20的比例模型进行了风洞试验，研究了不同风速和冲角下的风洞现象。结果表明，迎风塔的钝头体发生了涡旋脱落，说明在背风塔前存在着单频主振动。涡旋脱落产生了一个周期性的朝向背风面塔腿的力。在风速为13~17 m·s–1 、冲角为291°和风速为17~24 m·s–1 、冲角为248°的条件下，涡旋脱落频率与桥塔的0.6 Hz和0.8 Hz的自振频率，分别导致桥塔沿顺风方向发生共振。
在独立式施工阶段，大跨度桥梁的桥塔经常会出现涡激振动现象，但是在已建成的桥梁的桥塔上，特别是在桥塔坚固的支座上，涡激振动现象却很少发生。由于桥塔涡激振动的位移幅度相对较小，所以没有引起比较严重的问题。然而，监测数据表明，尽管桥塔存在横截面切角，但这种振动仍然会出现。这些研究结果可为桥塔抵抗涡激振动的结构设计提供参考。