近年来，随着全球气候的持续恶化，台风、龙卷风、下击暴流等极端气候日益频发。台风可引发大跨度桥梁的大幅振动，从而威胁桥梁的运营安全。结构静/动力位移是反映强台风作用下大跨度桥梁运营安全的重要指标，往往通过数值模拟或风洞试验获得，难以避免地与桥梁真实状况存在差异。近年来，越来越多的大跨度桥梁建立了完善的结构健康监测系统（SHMS），并积累了丰富的台风期间桥梁荷载和响应数据，为桥梁服役状态评估及运维管理提供了宝贵信息。鉴于此，本文基于苏通大桥SHMS记录的三次强台风期间的结构位移、温度和风速数据，分析了该桥梁在强台风作用下的结构静/动力位移变化规律，所得结论可为类似桥梁的抗风设计和运维管理提供参考。

苏通大桥SHMS包括4个风速仪用于监测风速和风向，采样频率为1Hz，最高可测风速为60m/s，分辨率为0.01m/s。此外，该SHMS还包括4个GPS测点，主梁跨中截面2个，南、北塔塔顶各1个，GPS的采样频率为1Hz，数据采集精度为0.01m。大桥主梁跨中截面共安装了27个温度传感器，采样频率为10Hz。             

图1 苏通大桥风速计与GPS布置图

2012年8月，台风“达维”、“海葵”和“布拉万”先后进入了我国东部沿海地区，苏通大桥桥址区位置以及三次台风的前进路径如图2所示。三次台风风眼距苏通大桥桥址区的最近距离分别约为255km（达维）、210km（海葵）和360km（布拉万）。苏通大桥的SHMS完整记录了台风作用全过程桥址区风速、温度和桥梁静/动力响应数据。

图2 台风“达维”、“海葵”和“布拉万”的路径图

以GPS3-01记录的主梁横向位移数据为例，采用自回归滑动平均模型（ARMA）提取静态成分，如图3（a）所示。如图3（b）所示，动位移响应呈现出三个明显的峰值，与台风过境的时间相对应。如图3（c）所示，大桥主梁的一阶横向频率约为0.1110Hz，该阶振动能量占比最高。

图3 GPS3-01记录的大桥主梁横向位移

图4 主梁静态位移与环境因素的相关关系

大桥主梁的竖向静位移主要受风和车辆荷载控制，与温度的相关性较弱；横向静风荷载（图4Fa）是影响主梁横桥向静位移（图4SDtd、SDtu）的主要因素。

图5 桥塔静态位移与环境因素的相关关系

温度是引起桥塔纵桥向位移的主要因素，两座桥塔将随着温度的变化相互靠近或远离。桥塔纵桥向静态位移介于±10cm，横向静位移在±3cm之间。桥塔横桥向静位移（图5纵坐标）与风速（图5Fa、FI）、温度（图5Tm）等因素没有表现出明显的相关性。

图6 桥系温度诱导变形原理图

大桥主梁竖向静位移、桥塔纵桥向静位移均与温度有关。如图6，随着温度升高（降低），大桥主梁会上升（下降），两个桥塔会相互远离（靠近）。

图7 主梁动位移均方根与环境因素的相关关系

大桥主梁各个方向动位移（图7纵坐标）均与横桥向风速（图7Fa）有较强的相关性。当Fa小于10m/s时，主梁动位移幅值相对稳定，且保持在一个较低的水平。当Fa大于10m/s时，主梁动位移随风速的增大而增大。此外，主梁动位移与平行于桥轴方向的风速（图7FI）相关性较弱，与结构温度（图7Tm）也未呈现出明显相关性。

图8 桥塔动位移均方根与环境因素的相关关系

大桥主塔纵桥向动位移（图8ln、ls）均与横桥向风速（图8Fa）相关性显著，主塔的横桥向动位移与平行于桥轴方向的风速（图8FI）、温度（图8Tm）等因素的相关性较弱，这可能是由于大桥横向动位移幅值较小、GPS测量精度不够。主梁的竖向动位移与主塔的纵桥向位移线性相关性突出，相关系数在0.9左右。

2012年8月，台风“海葵”、“达维”和“布拉万”先后经过了苏通大桥桥址区，大桥SHMS记录了3次台风过境时的结构位移和桥址区环境数据，本文据此分析了强台风期间大桥主梁和桥塔静/动力位移的演变规律，所得结论包括：

（1）实测GPS数据中包含一些异常值。在后续分析之前，有必要检测并去除这些异常值。在分离的动位移中可以观察到低频的背景噪声，采用高通滤波器滤除小于一阶固有频率的振动成分可有效解决该问题。

（2）结构温度是引起大桥主梁和桥塔静位移变化的主要因素。随着温度升高（降低），大桥主梁会上升（下降），两个桥塔会相互远离（靠近）。当主梁跨中温度从20℃升为40℃时，桥塔塔顶产生的纵桥向静位移约为20cm。

（3）横桥向静风荷载与大桥主梁横桥向静位移的线性相关性显著，横桥向平均风速每增加1m/s，主梁跨中横桥向静位移将变化约1cm。

（4）桥址区风速是控制大桥主梁动位移的主要因素，结构温度的影响则相对较弱。主梁和桥塔通过斜拉索相互联系，主梁竖向与桥塔纵桥向位移相关性显著。