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赤石-凯桥台风期间的全尺寸测量
T. Miyataa, H. Yamadaa, H. Katsuchia,*, M. Kitagawab aDepartment of Civil Engineering, Yokohama National University, 79-5, Tokiwadai Hodogaya-ku, Yokohama 240-8501, Japan bHonshu–Shikoku Bridge Authority, Kobe 651-0088, Japan
摘要
分析了强台风期间在明石海峡大桥上观测到的全尺寸测量数据。分析了纵向速度场的功率谱密度和空间相关性。通过改变尺度参数，Hino公式很好地描述了PSD。两个点的空间相关性不是用指数公式表示的，而是用基于各向同性湍流理论的替代相干函数表示的。指数公式中的衰减因子随距离和风速的增加呈弱增长趋势。分析了桥面横向位移对桥梁的影响。垂直于桥轴线的风的静态反射与分析值符合得很好。甲板横向弯曲的阵风系数大多小于设计规范。
关键词：全面测量 明石海峡大桥 空间相关
1.简介
本州四国桥梁管理局正在对濑户内海上的大跨度斜拉桥进行全面测量。强风期间收集的数据用于验证大跨度桥梁的抗风设计以及日常交通控制。明石海峡大桥是目前世界上最长的悬索桥，中心跨度为1991m，其他桥梁也受到监控。特别是，为了在很长的一段时间内（包括静态时间）精确地测量由风引起的位移，在桥上安装了全球定位系统（GPS）传感器。 GPS利用来自卫星的电波，可以直接测量桥面板的静态和动态变形。从明石海峡大桥通车以来已经过去了两年半。从那以后，几场强台风袭击了这座桥。测量系统收集了桥梁响应以及强风的有用数据。本文介绍了在9807和9918台风（分别是1998年的台风7和1999年的台风18）期间在明石海峡大桥上测得的全面数据，着重于功率谱密度（PSD）和风速波动的空间相关性，以及套牌的回应。它们是大跨度桥梁防风设计的重要因素。
2.测量系统概述
风速表，加速度计，温度计和GPS传感器安装在桥梁的各个位置[1]。传感器总数为53个，但通常只有一些这样的监测数据主要用于日常交通控制。如果有强风（大于15m / s），将开始监视所有传感器，并以20Hz的采样频率记录数据10分钟。 GPS传感器安装在塔架顶部和中心跨度中间的甲板上。可以测量塔架和甲板的横向和垂直位移。为了阐明风速波动的空间相关结构，这是评估大跨度桥梁设计风荷载的重要因素，在中心跨度中间（海拔约108m处）的甲板上安装了五个风速计，如图1所示。使用任何两个风速计的数据，可以将空间相关性结构分析为距离的函数。
3.强风的性质
3.1风的轮廓
9807和9918台风分别于1998年9月22日和1999年9月24日袭击了明石海峡大桥。在9807台风期间，全尺寸测量系统从11:53激活到16:31。在9918台风期间，它也在7:30至16:00被激活。
图2显示了10分钟平均风速和湍流强度之间的关系。平均风速在14到33m / s之间，湍流强度在0.04到0.21之间。在偏风（风向靠近桥轴线）下，记录到的湍流强度大于0.12-0.15。明石海峡大桥[2]的抗风设计手册规定，抖振的湍流强度为0.1。只要风向接近桥轴线的法线，观察到的湍流强度大约小于0.1。
图1. 明石海峡大桥的电流表布局（单位：m）
图2.台风期间的平均风速和湍流强度
在以下各节中，将介绍PSD和所分析的风速波动的空间相关性。它们是估算大跨度桥梁的抖振和风荷载的关键参数。
3.2。 功率谱密度
防风手册将纵向速度波动的PSD指定为Hino的公式，即
其中Sueth;fTHORN;是纵向速度波动（u）的PSD，f为频率，su为u的标准偏差； Kr表面粗糙度系数（= 0.0025），U10：设计风速为10-m高度，m为缩放参数（在手册中= 1.0），垂直风向为幂律的指数（= 1/ 8），并且z为参考高度（风速以108m/s计）。
选择风向与桥轴法线接近（gt; 45°）的情况，分析了u的PSD。分析结果如图3所示。PSD的降低似乎高于fz/U的2倍，这似乎是由于风车式风速计的测量。由等式给出的PSD。 等式（1）和方程式的回归曲线。
图3.纵向速度波动的PSD。
图4. Hino公式的缩放参数。
等式（1）将m的最佳拟合与图3中的测量值进行比较。在这种情况下，标度参数m被确定为1.6。在其他情况下重复回归过程，获得的缩放参数绘制在图4中。可以看到，缩放参数的范围为0.4到2.2，其平均值为1.5。
3.3风的空间相关性
风速波动的空间相关性（相干性或根相干性）是准确估算空间大结构（如大跨度桥梁）的抖振的关键因素。 设计手册指定了空间相关性，用指数公式表示[3]，即
其中，k是衰减因子，x是两点的距离，U是平均风速。
在选择风向几乎垂直于桥梁轴线的情况下，分析了u在两点上的相干性（见图1）。对于台风9807，两点的距离分别为14（P4-P5），28（P3-P4），42（P3-P5），99（P2-P5）和213m（P1-P5），以及14，28、42 ，对于台风9918，分别为57（P2-P3）和99m。图5的左列显示了对台风9807（1a和2a）期间的两种情况和台风9918（3a和4a）期间的两种情况进行的相干性分析。可以看出，随着降低的频率（fx = U）增加，相干性降低。注意，当频率接近零时，相干性不会统一。从等式（2）的分析和数量之间的一致性比较可以清楚地认识到这一点。对于明石海峡大桥的横向抖振，图5左栏中的垂直线显示了对应于第一横向模式（0.039Hz）的每个距离的减小频率。五个垂直线对应于距离14、28、42和99（57m）和213m（99m）。可以看出，在特定频率下的相干性在测量和常规指数公式之间没有太大差异。
基于各向同性湍流理论[4]，提出了相干表达。
其中K5/6和K1/6是第二种修正的Bessel函数，L0是湍流尺度，它对应于纵向速度波动的横向湍流尺度（Ly u）的两倍。
对于实际使用，可以通过共相干来近似相干。因此，等式（3）在本研究中用作相干性的替代公式。假设在图5的左列中每种情况下的L0均正确，则由等式给出的相干性。等式(3)显示在图5的右列中。可以看出，替代式是比传统式等式（2）更好的表达式。但是，根据等式（3），测量值和数量之间仍然存在差异。
为了研究等式（2）中衰减因子（k）的变化。根据距离和风速，将测得的相干性拟合为等式（2），并且衰变因子被确定为每种情况。 图6显示了三个距离获得的衰减因子。 可以看出，衰减因子的范围很广。 没有看到衰减因子相对于距离的显着趋势。 但是，距离k的平均值随距离的增加而略有增加。 距离为57、85和99m的平均值分别为8.6、9.6和9.9。 图7显示了衰减系数与平均风速的关系。 可以看出，随着平均风速的增加，获得的衰减因子呈微弱的增加趋势。
图5.台风9807和9918期间测量的连贯性（左列），指数形式和替代形式（右列）:（1a，1b）在台风9807时为（1a，1b）14:03–14:13；（2a，2b）14:13–14:23台风9807；（3a，3b）8:00–8:10台风9918；（4a，4b）8:10–8:20台风9918
图6.衰减系数与距离的关系
图7.衰减系数与平均风速的关系
4.台风期间的桥梁响应
此部分显示了台风9918期间的桥梁响应。图8显示了中心跨度中间的甲板10分钟的平均横向挠度（E）。 用实线表示的相应分析值如图8所示。由于在台风9918期间风向从法线向桥轴（01）更改为65 1，因此在固定风中将测量偏差重新绘制（B）。 原始风速由舒适度固定的速度（y是风向）。 固定测量与分析之间存在差异。 这表明，仅固定风速是不足以预测静态偏斜的，尤其是较大的风偏角。
在选择风向从桥轴法线小于301的情况下，中心跨度中间的甲板静力和最大横向变形如图9所示。分析静力和最大变形也显示在图9中。 图9.就这些情况而言，测量静态值与分析静态值非常吻合。 在此计算得出的分析最大值是静态值的1.55倍，因为在抗风设计手册中将甲板响应的阵风系数指定为1.55。 可以看出，测量的阵风系数（最大与静态之比）小于设计手册中的阵风系数。
图8.中心甲板的静态横向变形
图9.风偏角小于301的甲板在中心的静态和最大横向变形
从防风设计的角度来讨论桥梁的响应，中心跨度中间的甲板最大和静态横向挠度（阵风系数）之比如图10所示。1.55用实线表示 防风设计手册中的设计规范。 几乎都小于设计规范的1.55。 但是，有两种情况大于1.55。
图10.中心甲板的最大和平均横向变形比（阵风系数）
图11.风速和甲板横向偏转的时间历史记录（8：50–9：10）：（a）风速的时间历史记录（垂直轴：风速（m / s），水平轴：时间（ s））； （b）横向偏转的时间历史（垂直轴：偏转（厘米）；水平轴：时间（秒））
经调查，发现在该时间段（上午8：50–9：10）风速存在较大趋势，而横向偏斜趋势也较大，如图11所示。 日本采用10分钟作为平均风速和响应时间。 但是，此结果可能表明除了10分钟以外，还有适当的持续时间来评估电桥响应。
5。结论
本文介绍了在9807和9918号台风期间在明石海峡大桥上观测到的脉动风和大跨度桥梁响应的特征。 得到的结果和结论总结如下：
（1）分析了纵向速度波动的功率谱密度。使PSD符合设计手册指定的Hino公式，缩放参数m的范围为0.4到2.2，平均值为1.5。设计手册将m指定为1。
（2）分析了两点纵向速度波动的空间相关性（相干性）。结果表明，当频率接近零时，所分析的相干性不统一。可以确认，基于各向同性湍流理论的相干公式比设计手册中的指数公式更好地表示了测量结果。但是，仅在非常低的频率区域（小于第一横向模式）下，测量和指数公式之间存在空间相关性差异。
（3）进行了衰减因子对指数公式的回归分析。获得的衰减因子变化很大。没有看到衰减因子相对于距离的显着趋势。但是，距离k的平均值随距离的增加而略有增加。距离为57、85和99m的平均值分别为8.6、9.6和9.9。还可以看到，随着平均风速的增加，获得的衰减因子显示出微弱的增加趋势。
（4）在风向与桥梁轴线法线接近（小于301）的情况下，中心跨度中间的甲板静侧向挠度与分析值高度吻合。最大和平均（静态）挠度之比小于设计手册中的规定（1.55），但在某些情况下，风速和响应趋势较大。这可能表明除了当前使用的10分钟以外，还有适当的持续时间来评估电桥响应。
参考文献：
[1] R. Toriumi, H. Katsuchi, N. Furuya, A study on spatial correlation of natural wind, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 87 (2000) 203–216.
[2] Honshu–Shikoku Bridge Authority, Wind-Resistant Design Manual of Akahsi-Kaikyo Bridge, 1990.
[3] E. Simiu, R.H. Scanlan, Wind Effects on Structures, 3rd Edition, Wiley, New York, NY, 1996.
[4] H.P.A.H. Irwin, Wind tunnel and analytical investigations of the response of Lionsrsquo; Gate Bridge to a turbulent wind, Laboratory Technical Report, NRC, Canada, 1977.
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