大跨度人行悬索桥如何保障安全？动力振动测试保驾护航

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大跨度人行悬索桥如何保障安全？动力振动测试保驾护航

2021-1-27 08:53

原作者: 朴垣锡来自: 桥梁杂志收藏分享邀请

【52监测网讯】为什么大跨度人行悬索桥会在韩国成为一个流行趋势？因为这种类型的桥可以吸引大量的游客，而且建造成本不高。目前，韩国共有171座人行吊桥在服役，而其中的108座是在2010年之后才建造的。 ...

最近，吊桥的建造在韩国成为一个热门话题。在韩语中“Chullung Dari”的字面意思是晃动、摇晃的桥，从专业术语方面解释，指代的是大跨度人行悬索桥。那为什么大跨度人行悬索桥会在韩国成为一个流行趋势？因为这种类型的桥可以吸引大量的游客，而且建造成本不高。目前，韩国共有171座人行吊桥在服役，而其中的108座是在2010年之后才建造的。

图1 SOGUEMSAN桥

就像图1中这座位于韩国原州市的SOGUEMSAN桥，它连接着两座山峰，风景优美、交通方便。2018年11月11日对外开放，在之后的117天里，累计游客数量就已突破100万。

尽管这类人行悬索桥广受欢迎，但由于至今没有专门的设计规范和维修指南，因此人们也越来越关注桥梁的安全性问题。作为制订这些设计和维修指南的一部分，本文研究的目标是：归纳研究出具有代表性的大跨度人行悬索桥的动力特性，建立可接受的振动水平参考值，并发现需要特殊考虑的因素，或需要进一步研究的课题。之所以从一开始就将重点放在动力特性方面，主要是因为基于过去的经验，对这类结构的动力行为并没有了解得十分清楚。因此，通过动力特性实验来研究其行为，并以两座具有代表性的人行悬索桥为例，介绍动力振动测试的相关内容。

动力振动测试

动力振动测试的目的是测量加速度和位移的响应、识别模态特性、验证分析模型、设定振动水平的参考值。以SOGUEMSAN大桥与MAJANG湖桥两座桥梁为例，分别进行了3种振动测试，来了解桥梁的动力特性。

MAJANG湖桥是一座现代的人行悬索桥，桥长220m，宽1.6m，有两个上部缆索和6个下部缆索支撑，采用天然基础及永久性锚固系统。大桥于2018年3月29日开放，至今运行良好。

图2 MAJANG湖桥桥面节段示意图

每一段桥面钢架结构的长度为3m，各节段之间没有纵向连接。缆索的断裂荷载可达1320KN，由于缆索的垂直分力没有桥塔支撑，而是用短杆支撑，因此这类桥梁有时也被叫做无塔式悬索桥。

在动力测试的传感器总体布局中，我们安装了8个竖向加速度计、4个水平加速度计、1个激光位移传感器（横向和纵向），位移传感器用来捕捉桥梁的运动位移点。在安装了仪器之后，首先做了强迫振动测试，共分了13种情况，测试内容包含竖向跳跃的人为激励、水平推力、周期和脉冲激励，并将人数分别设定为6人一组和40人一组，以及基于模态分析的7个临界点。

图3 人行振动测试

其次是人行振动测试。图3展示了人行振动测试的4种行走情形，包括中心线行进、侧边线行进、双边线同向行进、双边线反向行进，测试速度的频率变化从1.5～3.5Hz。当开展人行振动测试时，我们尝试把步行速度通过使用智能手机上的APP来实现同步。

模态特性识别

使用上述两项测试的数据，进行桥梁的模态特性识别。对于模态拟合的方法，采用频域分解法（FDD）和特征系统实现算法（ERA）。频域分解法用于识别模态的频域和振型，特征系统实现算法用于识别模态的阻尼比。识别出的11个主模态的振动频率在0.2～4.7Hz。模态特性显示高频区域出现人行振动测试中，且以扭转模态为主，在0.936～2.264Hz，而强迫振动的水平、垂直模态位于低频区，在0.220～0.659Hz。

在识别的阻尼比特性中发现，人行激励的高阶模态（约2.0Hz），有相对较低的阻尼比，低于0.01。而0.005的阻尼比是用于做风荷载分析以及动力分析。

SOGUEMSAN大桥与MAJANG湖桥的结构形式类似，桥长200m，宽1.5m，桥面框架结构和锚固系统与MAJANG湖桥也基本一样。但不同的是，MAJANG湖桥采用的是局部敞开式格栅桥面，而这座桥是全开式格栅桥面。大桥于2018年1月11日开放，至今运行良好。

考虑到SOGUEMSAN大桥的桥面高度更高，对人行速度要求更高，所以我们也进行了同样的强迫振动测试和人行振动测试。除此之外，还测量了加速度和位移响应，并进行了详细的记录。

图4 模态特性识别

振动舒适度

由于与普通的人行桥不同，这类大跨度人行悬索桥的设计是允许一定程度的振动，以满足人们追求通行时的趣味性和刺激性。然而，我们却很难明确这种振动的程度。根据普通人行天桥振动的各种使用能力准则，可以预估出此类桥梁的振动水平。借助这两座桥的动力特性和测量数据，我们尝试识别桥梁的振动水平，了解其振动舒适度，制定出评估的流程。

对此，我们分析了每座桥的7次人行测试数据，并记录了SOGUEMSAN大桥在8个小时内的振动测量数据。总体来说，两座桥的最大加速度响应是相似的，而SOGUEMSAN大桥的最大水平加速度相对高一些。很显然，随着行人数量的增加，最大加速度响应也随之增加。有趣的是，加速度和行人数量的关系似乎不是线性的，最大加速度相对于行人的数量成指数级增加，但这只是过度简化的一个结果，还需要更深入地研究，了解两者之间的关系。

图5 竖向加速度

对一些现有的舒适度和可靠度标准、振动标准以及动力测试结果，这两座桥梁在竖向加速度数值上都比现有的标准值高。对于普通的人行桥，大多数标准都建议最大竖向加速度不应该超过平均舒适度0.5～1.0 m/s2。如预期的那样，研究的这两座大跨度人行悬索桥的竖向加速度水平比平均舒适度标准高了2～4倍。并且对于这类大跨度人行悬索桥，竖向加速度主要是由扭转振动引起的。与竖向加速度相比，水平加速度似乎没有超过舒适度标准太多。虽然在这些测试中没有观察到，但应该注意的是，水平振动似乎很高，足以引起同步侧向激励，也叫锁定现象。

图6 水平加速度

抗风稳定性

对于此类人行悬索桥的抗风稳定性不同于其他大跨度悬索桥，从二维截面模型的风洞试验结果发现，由于MAJANG湖桥采用的是局部开放式格栅桥面，设计风速在24.8m/s以下出现了涡激振动(扭转)，而SOGUEMSAN大桥采用全开式格栅桥面，没有观测到涡激振动。两座桥都没有观察到颤振，与预期的结果差不多，和其他大跨度悬索桥没有太大差别。

除了风洞实验，我们还通过抖振分析来估算加速度响应。抖振是一种随机振动，起因是湍流风速的波动。一般来讲，对于抗风稳定性，涡激振动和颤振是两个主要的问题，颤振关系到桥梁的舒适度和可靠度。从韩国首尔国立大学的Ho-Kyung Kim教授的抖振研究课题中我们发现，风速的增大会给桥梁带来不良的振动。按照舒适度标准，从水平加速度响应图表中可以看出，在10分钟内，MAJANG湖桥和SOGUEMSAN大桥的临界风速分别为15m/s和18m/s。根据计算结果，建议将10分钟内的风速在15～18m/s作为桥梁安全运行的风速。

对于大跨度悬索桥，涡激振动和颤振的位移响应要更大。但是，抖振也会导致严重的位移响应，尤其在高风速地区。分析显示，两座桥在设计风速下的位移响应非常大。不同于大跨度悬索公路桥，人行悬索桥的抗风稳定性可以由抖振位移响应来控制。

图7 基于抖振分析的加速度响应

通过介绍韩国近年来修建的多座大跨度人行悬索桥的情况，从动力测试的结果分析出扭转振动占主导地位，并能产生更大的竖向振动，超过平均舒适度标准的2～4倍。对于抗风稳定性，抖振的位移响应比涡振或颤振更加重要。由于活荷载（人行荷载）的比例相对于公路悬索桥高，因此，活荷载的几何非线性作用可能会变得更显著。在大位移情况下会出现高度的非线性行为。在动力分析中，需要研究移动质量效应。传统的二维截面风洞试验只有两个自由度，与桥梁截面的实际运动不相符，不适合捕捉桥梁截面的真实运动，因此我们也正在开发新的建模方法。

近期，韩国还在建设中的大跨度人行悬索桥，有一座是位于居昌（Geochang）的，非常独特的Y形悬索桥，我们也对其进行了强迫振动测试；还有一座正在规划阶段，计划今年开工建设的韩国最长的人行悬索桥，长度600m。目前，韩国桥梁和结构工程师协会（简称KIBSE）正在制定人行天桥的设计指南和人行悬索桥的运维指南。

（本文仅代表作者观点，如有任何学术意见，欢迎探讨）

本文刊载 / 《桥梁》杂志 2020年第6期总第98期

作者 / 朴垣锡

作者单位 / 韩国国立木浦大学土木工程系

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