涡振、台风……舟山跨海大桥如何应对？|主梁|台风|张力|舟山跨海大桥|荷载

浙江舟山跨海大桥（又名舟山大陆连岛工程），始于宁波镇海区蛟川街道，沿线经过金塘岛、册子岛、富翅岛、里钓岛，终于舟山本岛，由金塘、西堠门、桃夭门、响礁门和岑港五座跨海大桥及其接线公路组成，大桥全长约46.29km，是国家高速公路网甬舟高速公路（G9211）的主要组成部分，也是国家级舟山群岛新区与内陆唯一的陆上交通生命线和实施港航强省战略的交通主动脉。一期工程包括桃夭门、响礁门和岑港三座跨海大桥及接线公路，于2006年1月1日建成通车；二期工程主要包括金塘、西堠门两座具有世界级建造水平的跨海大桥及宁波连接线项目（简称 “两桥一线”）。整个工程于2009年12月25日实现全线通车。

图1 浙江舟山跨海大桥地理位置图

为了更加科学、全面地开展大桥运营养护，服务于大桥应急管理，在2009年大桥建成时构建了结构健康监测系统，主要对西堠门大桥、金塘大桥主航道桥和金塘大桥副通航孔桥的运营环境和结构状态进行监测，可实时获取风速风向、车辆荷载、温湿度等桥梁运营环境和结构内力、变形、振动等结构响应数据。

大桥健康监测系统在2017年进行了升级改造，西堠门大桥健康监测系统与金塘大桥健康监测系统、桃夭门大桥健康监测系统合并为舟山跨海大桥桥群健康监测系统，监测系统的软件功能有了较大的改进。采用三维可视化技术，形成了基于自动化传感测试、电子化人工巡检、结构预警及安全评估等技术成果于一体的高速公路大跨径缆索承重体系桥梁群结构监测、巡检养护成套成果, 加强了大桥结构安全的监测与管控能力。大桥运营通车10余年以来，桥梁健康监测系统在大桥结构年度分析、大数据分析与综合评估、台风应急管理、涡振应急管理等方面发挥了巨大作用，实现了当初系统构建之初的目标。

应急类型

桥梁运营管养过程中会遇到各类突发应急情况，高效的应急管理必须基于客观可靠的数据和信息。大桥结构健康监测系统可以实时掌握大桥结构状态和运营环境情况，为应急管理提供数据支撑，在各项应急措施过程中发挥了关键作用。从舟山跨海大桥十多年的运营经验来看，最易发生或是影响较大的几类应急事件有：台风、船撞、车辆超载、交通事故、悬索桥涡激振动。

台风

浙江舟山沿海地区，7～9月为台风季节，台风或热带风暴相对频繁，其对桥梁的运营安全具有重要影响。主要风险为：一是行车风险，二是结构风险，可能会导致交通事故甚至是风致结构损害。

船撞

从1960年以来，国内外每年平均有1～2座大型桥梁因船舶撞击遭受破坏甚至倒毁，船舶撞击严重地威胁着跨航道桥梁的安全。船撞桥梁可以造成桥梁、通行的车辆、船舶、人员等巨大的直接损失和维修费用，船撞桥毁事故还造成交通中断和环境污染等，带来更大的间接损失。

车辆超载

桥梁主要以服务通行车辆为主，并且在交通路网中发挥着重要的作用。可以说维持桥梁与车辆的和谐关系才能充分发挥桥梁结构的通行作用，同时保障桥梁的结构安全，但是超载现象的出现是对这种关系的一种挑战。随着区域经济的快速发展，货车的保有量和货物的流通量将逐年增加，并向着大型化货车的方向发展。车辆超载对大桥的结构安全性和耐久性将产生重大影响，大桥长期超负荷承载，将导致大桥局部构件疲劳损伤，结构内力、线形也将发生变化。

交通事故

桥梁运营过程中桥上存在车辆相撞、车辆撞桥或车辆起火等事故风险，从而导致结构损害，需对车辆堵塞（满载或严重偏载）及撞桥风险进行评估。

涡激振动

大跨度悬索桥在特定风荷载环境下易产生涡振现象，涡振过大会引起行车舒适性降低，增加交通事故风险。

应用实例

西堠门大桥涡激振动应急事件

当气流绕过桥梁主梁时，在主梁周围产生旋涡脱落，当漩涡脱落频率与主梁某阶固有频率相近时，主梁将发生一种类似共振的大幅振动，称为涡激共振，是一种限幅流-固耦合振动。

图2 桥梁主梁的涡激振动

西堠门大桥为超大跨度悬索桥，在特定风荷载环境下易产生涡振现象，西堠门涡振基本为加劲梁的竖向弯曲振动，同时也是一种限幅振动，涡振一般引起行车舒适性降低，对桥梁结构安全不构成影响。由于今年公众对虎门大桥涡振事件的强烈反响，涡振这一在桥梁行业内都很专业的工程现象受到公众的广泛关注。西堠门大桥在2020年的某次涡振中，同样也受到公众的关注，省、市级政府也对此事件作了专门应急批示，得利于健康监测系统运营十多年来翔实的监测数据及专业分析评估，有力地论证了涡振对西堠门大桥的结构影响，经专家评审，涡振对大桥结构受力影响较小，大桥结构安全。因此公众一时对西堠门大桥的轰动性关注，没有造成社会不良影响。

根据西堠门大桥建成通车以来监测数据，截至2020年7月，共监测到281次涡振现象，平均每年26.8次，涡振期间的风速、风向、振动频率、振动加速度均方根值等数据特征如图。

图3 历次涡振锁定频率分布

图4 历次涡振振动模态的频数分布

发生过的涡振锁定频率有0.133Hz、0.183Hz、0.230Hz、0.275Hz、0.325Hz、0.379Hz、0.436Hz，出现频次最多的0.325Hz，共有244次，占比87%，其他涡振频率出现极少。

风偏角是指风向相对于桥轴垂线的夹角,根据西堠门桥址地形特点,在西北－东南方向为开阔带,受山体影响较小,容易产生紊流度较低的风场,从而容易引发梁体涡振。监测到发生涡振现象的桥面风偏角为36°范围内,涡振风偏角平均值小于25°的次数有257次,占比92%。监测到发生涡振现象的桥面平均风速主要范围为4m/s～15m/s,绝大多数集中于5.5m～12.0m/s范围内,共有256次,占比92%。

西堠门大桥涡激振动事件管控措施——

设立涡振预警阈值，分四级预警，结合西堠门大桥健康监测系统软件功能特点，综合考虑预警的稳定性和时效性，选取加劲梁竖向加速度10分钟均方根值（RMS）为阈值参数。在保证行车安全性及行车舒适度的前提下，尽量少采用封桥等影响面大的措施，设定满足大桥运营需求的阈值，如应急响应启动，按照既定的预案预警级别的不同，及时报送相关数据，提醒运营人员和过往车辆，采取相应的桥梁检查工作。

基于涡振振型特点进行加劲梁振动监测断面加密优化，根据历年涡振的振型特点进行振动监测断面加密，一方面可以提高监测数据分析时的模态识别精度，另一方面可以直接将多个波峰上的监测数据作为预警点，有利于更加深入精准挖掘涡振监测数据，更好地指导运营决策。

利奇马台风

大跨度桥梁在台风作用下结构响应明显，桥上的行车安全性降低同时结构承载受到考验，因此，台风应急管理事件期间加强结构监测显得尤为重要。

2019年8月10日凌晨1点45分，台风前后在浙江省温岭市沿海登陆，登陆时中心附近最大风力16级（52米/秒），这不仅是2019年以来登陆中国最强台风，也成为1949年以来登陆浙江第三强的台风；9时，台风“利奇马”减弱为强热带风暴级，地点在浙江省金华市磐安县境内；8月10日20时在浙江省湖州市南浔境内减弱为热带风暴级。

图5 2019年9号超强台风利奇马

图6 台风期间基于监测系统的应急响应预案

台风来临前，安排机电工程师进行现场故障预测和设备排查。随时关注台风动向，在台风来临前48小时随时待命，来临前24小时到岗值守。台风过程中实时关注监测数据，2小时出一份台风快报，台风后3天内出具数据分析报告。完善的台风应急响应机制，为舟山跨海大桥的台风天应急管理提供了数据支撑、决策依据。

利奇马台风期间，根据系统监测的环境荷载和变形、振动等结构响应结果，大桥的总体结构运营在设计范围之内。主要表现为桥面风荷载均小于设计基准风速，结构变形与缆索内力在设计值允许范围之内。台风期间桥梁结构整体静动力响应各项指标小于设计值，本次监测风速和结构响应均在可接受范围之内，大桥总体处于安全状态。

以西堠门大桥监测系统数据为例，基于西堠门大桥结构监测系统，统计分析了西堠门大桥台风期间（2019年8月9日00：00～2019年8月10日24：00）的风荷载、环境温湿度、锚跨张力、空间变位、结构振动、倾角、吊索内力等数据，得到如下结论——

1. 实测桥面最大十分钟平均风速为30.2m/s（11级：28.5-32.6 m/s，2019-08-10 09:10），小于桥塔高度处设计基准风速V=55.14m/s。实测西堠门大桥塔顶最大十分钟平均风速为36.2m/s（12级：32.7-36.9 m/s，2019-08-10 09:10），小于桥塔高度处设计基准风速。

2. 由索力监测结果可以看出，台风期间北锚索股索力大部分均在[1200,1400]kN之间，最大值1376.8kN（CT04单元），最小值1093.6kN（CT05单元）。南锚索股索力大部分在[1200,1400]kN之间，最大值1374kN（CT28单元），最小值1134.5kN（CT30单元）。台风期间主缆锚跨张力有一定的变化，波动范围较小，台风后索股张力恢复到之前水平。

3. 实测台风期间主梁振动有一定程度的增大，主要是由于脉动风引起的随机抖振，振动幅度较小，其中最大竖向加速度均方根值最大值为15.3mg，发生在主跨跨中（2019-08-09 23:30）；最大横向加速度均方根值最大值为4.7mg，发生在主跨跨中（2019-08-10 04:30）。此外沿纵向测点振动规律基本一致，台风期间主梁没有发生异常振动现象（如主梁涡激振动等共振现象）。

4. 吊索在大部分时段振动均方根值较小，台风登陆期间振动加速度均方根值有所增大，但大部分吊索振动加速度均方根值在100mg以下，未发生显著的异常振动现象。所有吊索台风之后振动水平恢复至事件前水平，台风期间吊索整体振动水平在合理范围内。

5. 各吊杆振动幅值差异较大。吊索振动加速度均方根值最大值为255mg（CAC11），大部分吊索振动均方根值小于100mg。

6. 主梁纵向空间变位的变化范围为[-0.1m 1.1m ]；横向空间变位的变化范围为[-1.674m 0.198m]；竖向空间变位的变化范围为[-1.689m 0.526m]。主梁空间变形在台风期间变化明显,但变形在合理范围内，台风期间桥梁关键位置结构变形均未超过预警值，未发现危及安全的过大变形。

7. 西堠门大桥吊索力在台风期间变化不大，吊索工作正常。

综合分析表明，台风期间桥梁结构静动力响应各项指标小于设计值，各监测项监测值均在可接受范围之内。

随着新型传感、互联网、云计算大数据等新技术发展，大桥监测系统应紧跟时代的步伐，向着“采集数字化、传输网络化、应用智能化”方向发展。

数据处理系统是整个系统的心脏，因此，处理系统的好坏直接决定了整个系统的性能。目前，处理系统主要在两个方面寻求突破，一是对处理系统的数学模型的优化，使其能面对更复杂的、更庞大的数据链，能适应更复杂的环境；二是处理系统的智能化，随着智能时代的到来，如何将处理系统与云计算、大数据库相结合，运用已有的案例解决自身的问题，这将是未来研究的重点，为更好地监测大桥的结构安全状态，更加有效应对桥梁的应急事件进行科学的探索。

本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志

2020年第4期总第12期

作者 / 周志明颜永先

作者单位 / 浙江沪杭甬高速公路股份有限公司

编辑 / 陈晨

美编 / 赵雯

责编 / 陈晨

审校 / 裴小吟廖玲

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