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台风“海葵”作用下苏通大桥风振响应

更新时间:2009-03-28

0 引言

近些年来,越来越多的采用新技术以及新工艺的大跨度桥梁被建设。当这些大跨度桥梁处于台风易发地区时,台风作用下大跨度桥梁的实用性以及安全性成为工程研究者最为关心的问题。苏通大桥是世界上最大跨度的斜拉桥,其建成通车使得斜拉桥主跨在最近的几十年里就由几百米发展到了千米级。对于大跨度缆索承重桥梁而言,随着桥跨的不断增加,结构刚度大幅下降,使得风致振动对其安全性的影响尤为重要。1940年美国Tacoma悬索桥发生的颤振风毁事故更是给各国政府和科研机构敲响了警钟。目前,通过对桥梁截面进行优化和提高结构刚度,已经基本可以避免大跨桥梁在设计使用期限内发生风致颤振。但由于跨度及桥宽的不断增加,使得极端风荷载作用下特别是台风作用下大跨桥梁安全性问题变得日益突出。鉴于此,国内外许多大跨桥梁均安装了包括风速仪和振动传感器在内的SHMS,为大跨桥梁的台风作用下响应实测案例研究提供了良好的平台。既有桥梁台风作用下响应现场实测研究可用于检验现有桥梁振动响应计算理论、确定桥梁振动计算中的关键影响因素以及分析大跨桥梁结构的性能及其机理,因而具有重大的理论和实际意义。本文利用苏通大桥结构健康监测系统(SHMS)中风速仪和GPS传感器实时采集的数据,对“海葵”台风作用下大桥部分关键部位的实测响应特性进行了较为深入的分析,分析结果为该桥基于SHMS的风致安全性评估奠定了基础,同时可为其它同类型大跨桥梁的抗风设计提供参考。

1 工程背景及台风基本情况

苏通大桥是世界上第一座主跨超过1000 m的斜拉桥,连接中国苏州市和南通市,主跨为1088 m,如图1所示。大桥于2003年6月27日开始修建,2008年6月30日开始通车,采用双向六车道高速公路标准。主梁为流线型钢箱梁,宽41 m,高4.5 m。

苏通大桥桥面设计风速约为49.1 m/s[1],因此抗风性能是桥梁设计阶段考虑的最重要的因素之一。通过断面模型试验和全桥气弹模型试验对桥梁颤振稳定性、风荷载等进行了验证[2,3]。大桥通车后,通过结构健康监测系统(SHMS)得到了桥梁风场[4,5]。经过几年的监测,发现虽然遭受了几次严重的台风袭击,风致振动并不十分明显。去年台风“海葵”侵袭中国东部,对苏通大桥的风致振动产生了较为明显的影响。为了弄清此次台风对桥梁的作用效应,对大桥健康监测系统中的数据进行了提取和分析。首先,对台风“海葵”的风参数进行研究,进而对桥梁结构响应进行分析。最后,对桥梁风振响应进行了比较,发现在本次台风作用下桥面最大风速为24.0 m/s,最大响应表现为主梁横向变形19 cm。此外,当风速高于14 m/s时,桥梁振动由风荷载控制。

  

图1 苏通大桥立面图 (单位:m)

2012年8月8日凌晨,台风“海葵”登陆浙江省,随着时间的推移,对苏通大桥的影响逐渐增大。在当天中午,台风中心距桥址最近。此后,台风风力逐渐减弱,相应的影响效应逐渐减小。台风的登陆路径及其与桥址的相对关系如图2所示。

  

图2 台风路径及苏通大桥桥址

2 台风数据特征

通过在两个桥塔顶端和跨中桥面两侧设置的4个风速监测点,得到了台风经过时的风速值,如图3所示。由于台风经过时距桥址的最近距离仍有181 km,因此风速曲线只有一个最大值。桥面最大瞬时风速为30.3 m/s,桥塔塔顶最大瞬时风速为54.0 m/s,相应的10 min风速平均值分布为24.0 m/s和44.6 m/s。

  

图3 桥面处风速仪记录值

通过对台风湍流参数进行分析,发现其在桥面和桥塔处具有相似的规律,桥面湍流强度比桥塔处的高。在台风作用最强阶段,桥面横风向湍流强度变化范围为6%~8%,十分接近其设计值9.7%,顺风向湍流强度变化范围为8%~10%,十分接近其设计值11%,如图4所示。通过对风向角分析发现,风是垂直作用于桥梁的。同时,通过对不同监测点相关性进行分析,得到了湍流空间尺度统计特征和功率谱密度[6],如图5所示。结果表明,其功率谱与Kaimal谱具有十分相似的趋势。

  

图4 10 min平均风速时桥面湍流强度

  

图5 桥面处风速仪记录值

3 结构响应

3.1 位移响应

通过对振动加速度响应和风速的相关性进行分析,发现随着风速的增加,振动响应也逐渐增加,如图12~图14所示。此外,还发现了一个有趣的现象,当风速大于14 m/s时,振动响应明显增大。在风速低于14 m/s时,加速度响应主要是由车辆引起的,与风速的相关性并不十分明显。由此可以得出结论,只有当风速大于14 m/s时,抖振响应才由风荷载控制。

  

图6 72 h内北桥塔塔顶平均位移

使用RevMan5.3软件进行Meta分析。疗效的二分类变量采用优势比(odds ratio,OR)和 95%可信区间(confidence interval,CI)合并效应量。不良反应的二分类变量采用相对危险度(relative risk,RR)和 95%CI合并效应量。通过 χ2检验确定研究间是否存在异质性。若P>0.1且I2<50%,则具有同质性,使用固定效应模型;若P≤0.1或I2≥50%,则存在异质性,此时分析异质性来源,从而去除异质性。若异质性仍然无法去除,则使用随机效应模型进行分析。

  

图7 72 h内主梁平均位移

根据位移与风速的相关分析可以得出,南北塔顶的平均位移与风速的相关性比较微弱,因此可知风荷载并不能使桥塔产生十分明显的变形。

  

图8 北塔塔顶位移随风速的变化

为了考察风荷载位移与风速的相关性,本文描绘了风速与位移平均值的散点图,开展了结构位移与风速的相关性分析,如图8所示。为了统一起见,以主梁高度的10 min平均风速作为参考风速。

图7为台风“海葵”影响下的72 h内主梁平均位移时程曲线。在被台风影响的3 d内,主梁顺桥向平均位移(X)最大值为6 cm(-1.5~+4.5 cm),横桥向平均位移(Y)最大值为23 cm(-18~+5 cm),主梁最大竖向位移(Z)为28 cm(-24~+4 cm)。

同样地,对主梁振动位移与风速相关性进行了统计分析,发现主梁横桥向位移与风速存在明显的相关性,即横桥向变形随着风速增加逐渐增大,在主梁处风速达到24 m/s时,平均横桥向位移达到19 cm(见图9)。主梁横桥向抖振也随着风速增加逐渐增加,在风速达到24 m/s时,振动位移标准差达到2.7 cm(见图10)。与横桥向抖振响应相比,竖向和顺桥向抖振响应与风速的相关性不是十分明显。

  

图9 主梁变形随风速的变化

  

图10 主梁变形标准差随风速的变化

3.2 振动响应

为了得到苏通大桥的振动响应,结构健康监测系统共用了24个加速度传感器,对主梁10个断面及两个桥塔的顶部和底部设置监测点进行监测。加速度传感器采样频率为20 Hz,所分析的数据为2012年8月7日至2012年8月9日3 d的,为了便于分析,以10 min作为一个时间单元。图11给出了桥塔与主梁的振动加速度标准差随时间的变化规律,发现桥梁抖振响应与台风风速有很明显的相关性。

  

图11 桥梁振动加速度随时间的变化

图6为在台风“海葵”影响下的72 h内北桥塔塔顶平均位移时程曲线。由图可知,在被台风影响的3 d内,北塔塔顶顺桥向平均位移(X)最大值为17 cm(-10~+7 cm),横桥向平均位移(Y)最大值为8 cm(-3~+5 cm)。

5.“其事亲尽孝,或万里寻亲,或三年庐墓,或闻丧殒命,或负骨还乡者,洪武时,则有丽水祝昆……昌平刘驴儿……”——《明史·孝义》

  

图12 北塔振动与风速的相关性

  

图13 主梁1号断面位置振动与风速的相关性

  

图14 主梁6号断面位置振动与风速的相关性

  

图15 苏通大桥全桥气弹模型

  

图16 通过全桥气弹模型试验得到的桥梁位移

4 苏通大桥全桥气弹模型试验

在桥梁的设计阶段,制作了一个全桥气弹模型用于验证风振响应[7,8]。模型几何缩尺比例为1∶185,如图15所示。采用被动模拟方法制造湍流边界层,通过抖振响应试验,得到了不同风速下的模型响应,如图16所示。在风速为24 m/s时,主梁跨中横桥向位移约为22 cm,与结构健康监测系统测得的19 cm很接近。在低风速0~24 m/s范围

内,主梁竖向位移小于5 cm,处于较低的水平。可以发现,在此次台风作用下,结构响应与全桥气弹模型试验结果相吻合。

5 结论

(二)预算绩效运行内部控制。预算绩效运行监控是预算绩效管理中的一个重要环节,在预算执行过程中,预算单位应对资金运行状况和绩效目标预期实现程度开展绩效运行监控,建立预算绩效执行跟踪制度,动态掌握预算执行和绩效目标实现情况,定期采集绩效运行信息并汇总分析,掌握绩效目标进展、资金支出进度、项目实施情况,及时发现部门经济活动的风险,实现定期风险评估。当绩效运行情况与预期绩效目标发生偏离时,应及时采取措施予以纠正(具体流程如图4)。因政策变化、突发事件等因素影响绩效目标实现,需调整绩效目标时,应按规定程序重新设定目标并报批。

1) 台风对桥梁产生了一定程度的影响。桥塔处观测到的10 min平均最大风速为44.6 m/s,而主梁处观测到的最大风速约为24.0 m/s。

对我院既往手卫生工作的回顾及调查,运用“鱼骨图”原理,从成员、管理等方面分析手卫生依从率低的原因,制作鱼骨图,详见图1.

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2) 从GPS获得的观测数据来看,主梁在台风作用下的横桥向变形最为明显,可以达到19 cm。

3) 由振动数据可知,只有当风速大于14 m/s时,桥梁振动才由风荷载控制,并随风速的增加逐渐增加。当风速小于14 m/s时,结构振动主要由车辆荷载产生。

左部围合结构是在上包围式结构的基础上,设计师对上包围式结构做相应的修改而形成的一种新的结构形式。在上包围式结构中将网页页面顺时针旋转270度后得到的一种包围结构,也是将全封闭式结构网页编排右侧信息栏删减所形成的一种编排结构。此种结构弥补了全封闭式结构过于封闭性的缺点。

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[2] 陈艾荣.苏通大桥抗风研究[R].上海:同济大学土木工程防灾国家重点实验室,2001.

参考文献:

本文介绍了台风“海葵”影响下的桥梁风场数据和结构响应。通过分析风速、GPS观测值、主梁与桥塔的加速度响应等监测数据,得到了如下结论:

[1] 陈艾荣,马如进,王达磊,等.基于性能的苏通大桥抗风设计[J].公路,2009(5):140-145.

4) 通过与全桥气弹模型试验相比较,桥梁风振响应能够与风洞试验结果较好吻合。

[3] Chen Airong,Ma Rujin,Wang Dalei. Aerodynamic problems of cable-stayed bridges spanning over one thousand meters[J]. Chinese Engineering Science, 2009,11(3):31-37.

[4] 张宇峰,徐宏,倪一清.苏通大桥结构健康监测及安全评价系统的研究与设计[J].市政技术,2005,23(S):62-69.

1.3 观察指标 分析两组患者术中出血量、手术时间、术后排气时间、术后拔管时间、术后腹腔引流量、进食时间、住院时间。于手术前后抽取两组患者5 ml的空腹静脉血,以转速3 000 r/min离心15 min。分离血清后,提取上清液,使用酶法检测血清胆红素(total bilirubin,TBIL)、间接胆红素(indirect bilirubin,IBIL)水平。采取干化学法检测碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)、淀粉酶(amylase,AMY)水平。

[5] 余波,秋洪兴,王浩,等.苏通大桥结构健康监测系统设计[J].地震工程与工程振动,2009,29(4):170-177.

[6] 胡晓红,葛耀君,庞加斌.上海“派比安”台风实测结果的二维脉动风谱拟合[J].结构工程师,2002(2):41-47.

[7] 许福友,陈艾荣.苏通大桥气弹模型气动失稳分析[J].土木工程学报,2007,40(7):44-48.

[8] 陈艾荣,马如进.苏通大桥全桥气弹模型风洞试验研究[R].上海:同济大学土木工程防灾国家重点实验室,2004.

 
周建华,马如进
《湖南交通科技》 2018年第01期
《湖南交通科技》2018年第01期文献

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