日本桥梁和建筑结构监测的研究与实施综述丨Engineering(6)

风洞试验通常采用截面模型来确定气动阻尼和刚度。在风洞测试中，风速因子的变化是已知的，但这在已建成的大跨度桥梁的全尺寸试验中几乎没有得到证实。为了了解和确认空气动力学刚度和阻尼的变化情况，研究人员对日本Hakucho大桥[全长1380 m（330 m 720 m 330 m）的三跨悬索桥]进行了风振响应的建筑结构监测（图3）。从施工结束后到1998年正式通车之前，研究人员在桥上每隔30~55 m安装一个加速度计，记录了在不同风速条件下连续数周的建筑结构风振响应数据。

图3（a）Hakucho桥；（b）环境振动测量的运动型传感器布局（Z1~Z19表示传感器的位置）。已确定的变化：（c）气动阻尼和刚度与风速的关系；（d）摩擦力产生的阻尼和刚度与风速的关系。经American Society of Civil Engineers许可，转载自参考文献，2005和经Elsevier Ltd.许可，转载自参考文献，2007
研究人员采用反分析方法评估了建筑结构在环境振动和强风条件下的性能。结果表明，在一般情况下，自振频率随着风速的增大而减小，而阻尼比随着风速的增大而增大。研究人员在实验中将空气动力和摩擦力对风速的影响进行了量化。结果表明，空气动力对风速的影响远小于支座摩擦力对风速的作用。空气动力对风速的影响约为摩擦力对风速影响的1%，其特性与风洞试验中空气动力的特性一致[图3（c）]。作者认为，这些试验结果是对风洞试验中空气动力与大跨度桥梁全面监测结果的阐述和比较，这在世界上尚属首次。
此外，研究人员发现相位差的局部效应主要集中在主梁的边缘。该发现可被用于确定由支座处摩擦力引起的附加阻尼和刚度的作用[图3（d）]。由支座处摩擦力引起的阻尼和刚度的变化趋势比较明显，即在振动较小的情况下主梁显示出低阻尼高刚度的特性。当风速增加时，阻尼也增加，即当支座脱落时，刚度会因建筑结构变形的增加而降低。参考文献[18]给出了风速对刚度和阻尼影响的详细说明。在对桥梁的长期抗震监测中，研究人员也观测到了由支座处摩擦力引起的附加刚度和阻尼的影响，详情请见参考文献。