双重影响下的悬索桥抗风可持续性

悬索桥建设和运行必然面对各种强风、强震和强流等自然灾害，全球气候变化引起了海平面温度升高，导致了台风或飓风风速增长。21世纪以来，世界各国政府和非政府组织陆续报告了全球气候变化的发展趋势，并且已经达成共识气候变暖已经来临。全球气候变暖趋势可能导致台风或飓风极端风速增大，影响悬索桥建设和运行抗风安全性，特别是全寿命抗风可持续性。

悬索桥全寿命结构性能伴随着服役龄期增长而演化，耐久性失效和疲劳累积损伤是悬索桥长期性能退化的主要原因。悬索桥钢结构的耐久性失效主要是环境中的氯离子侵蚀导致钢构件锈蚀产生的，而氯离子在钢筋混凝土或预应力混凝土结构中的渗透和扩散引起钢筋或预应力筋锈蚀，同样导致了耐久性问题。悬索桥疲劳累积损伤是由疲劳荷载反复作用引起的，严重影响到钢结构桥梁的疲劳强度，会导致疲劳裂缝甚至疲劳强度破坏。悬索桥耐久和疲劳会引发结构强度、刚度和阻尼的下降，不仅影响到静力作用安全，而且关系到结构动力特性自振频率和结构阻尼演化，自振频率的异常降低通常被认为是结构完整性缺失的一个指标，自振频率和振动阻尼衰变已经影响到悬索桥抗风可持续性。

悬索桥全寿命气候变化和性能演化抗风可持续性，关系到悬索桥的安全建设和长期运行，是我国重大战略需求。悬索桥设计使用寿命都在100年以上，全世界第一座跨度超过1000m的悬索桥美国乔治华盛顿大桥已经使用了近百年，随着服役年限的持续和增长，悬索桥结构性能衰变导致的抗风性能下降，需要采用全寿命概率性评价和可靠性分析。

全球气候变暖主要影响台风极端风速，受台风影响地区的大跨度悬索桥颤振可靠性将会由于气候变暖台风而趋于降低。选取我国东南沿海及长江下游受台风影响地区的10座悬索桥，进行全寿命颤振可靠性分析，主要参数如表1所示。

为了设计和制作二维节段模型或三维全桥模型，需要采用有限元计算模型分析计算悬索桥结构动力特性。表2列出了10座悬索桥竖弯和扭转基频，其中，竖弯基频在0.1001Hz到0.2096Hz之间，扭转基频在0.2201Hz到0.6120Hz之间，扭弯频率比为1.85至2.98。10座悬索桥颤振临界风速均采用三维全桥气弹模型风洞试验方法，颤振临界风速在55.1m/s到135m/s之间。

采用容许应力法并以安全系数1.2作为保证率，表3列出了根据桥位附近气象台站确定的颤振检验风速——期望风速，将桥梁抗风设计规范中定义的颤振检验风速除以了1.2。将表2中颤振临界风速除以表3中相应的颤振期望风速，可以得到按照容许应力法验算颤振稳定性的安全系数K，如表3所示，10座悬索桥颤振安全系数K的取值在1.22到2.35之间。

在评估气候变暖对台风影响的研究中，采用代表性浓度路径中的RCP2.6，RCP4.5和RCP8.5三种气候变暖模式，采用Vickery经验路径模型模拟台风移动速度、前进方向以及相对强度。台风年极值风速时变概率密度分布（PDF）可用Gumbel分布拟合。

采用蒙特卡罗数值模拟方法，计算确定10座悬索桥气候变暖前以及在2100年的不同RCP场景下的颤振失效概率和可靠指标，如表4所示。值得注意的是，除了西堠门大桥、润扬长江大桥、江阴长江大桥、瓯江北口大桥外，其他桥址处都显现出RCP8.5情境下的可靠度指标小于RCP4.5，且小于RCP2.6。而这四座桥所显示出的异常RCP8.5情境下的可靠度指标更大，可能是由于随机误差造成的。

悬索桥颤振和涡振与结构动力特性和主梁气动外形相关，其中，寿命期内气动外形一般很少改变，并且也不允许改变，所以，可以忽略全寿命气动外形变化；但是，寿命期内结构动力特性包括自振频率和振动阻尼会随着桥梁服役性能衰变而衰变，导致全寿命自振频率和振动阻尼下降，从而影响悬索桥全寿命抗风性能，特别是颤振临界风速和涡振锁定风速。悬索桥结构动力特性演化统计分析主要采用健康监测连续观测纪录或现场实测离散测试数据。

1.自振频率演化及时变规律

西堠门大桥是主跨1650m的双跨吊悬索桥，2009年12月26日建成通车，已经运行了14年。西堠门大桥安装有完备的健康监测系统，纪录了建成以来全部健康监测连续观测纪录，根据2012年1月至2021年10月近10年的桥梁自振频率监测数据，第二、四、八阶竖弯振型和第一阶扭转振型的自振频率实测纪录数据和统计回归数据如图1所示，呈现出了明显的周期性波动和趋势性衰减的倾向。

图1 西堠门大桥四阶振型自振频率监测结果

悬索桥自振频率周期性波动主要体现在，一年四季大周期中温度最低的冬季频率值最大、温度最高的夏季频率值最小、春秋两季次之；一天24小时小周期中车流量最小的凌晨频率值最大、车流量最大的下午频率值最小、其他时间次之。

图2 西堠门大桥四阶振型自振频率线性拟合

2.振动阻尼衰变及其时变规律

虎门大桥主航道桥是一座主跨888m的单跨吊悬索桥，1997年6月9日建成通车，在正常运行了近23年后于2020年5月5日突发第五阶竖弯振动振型的涡激共振，移除桥面临时护栏的水马之后，该振型涡激共振迅速消除，但是，由于结构阻尼比明显下降，继发了第三阶或第四阶竖弯振动振型的涡激共振。为此，对虎门大桥自振频率、振动阻尼和涡振特性进行了现场实测，主要结果如表5所示。

悬索桥结构性能衰变后，自振频率和振动阻尼会发生变化，从而影响颤振临界风速。

悬索桥结构性能衰变后，自振频率下降会影响涡振锁定风速区间，振动阻尼下降也会影响涡振锁定风速区间。表7给出了性能衰变前后虎门大桥和西堠门大桥全寿命涡振失效概率和持续时间。

悬索桥抗风设计风速一般是指加劲梁高度处的设计风速，根据我国现有抗风设计规范的规定，取用百年一遇风速期望值，可以根据桥位所在地区的设计基本风速，按照指数率风速剖面进行推算。

全寿命气候变暖和性能衰变共同影响下的悬索桥，全寿命颤振设计荷载——颤振设计风速和全寿命颤振设计抗力——颤振临界风速都是时变的和随机的，都需要采用时变概率分布模型表示，采用蒙特卡罗数值模拟方法，可以计算确定虎门大桥和西堠门大桥全寿命气候变暖和性能衰变共同影响下的颤振失效概率和可靠指标如表9所示，共分四种状态。其中，初始状态是指传统意义下的成桥状态，虎门大桥的颤振失效概率在10-8量级、西堠门大桥的颤振失效概率更是高达10-9量级；基于性能衰变影响，虎门大桥的颤振失效概率还是10-8量级、西堠门大桥的颤振失效概率也是10-9量级；基于气候变暖最低等级模式RCP2.6，虎门大桥和西堠门大桥的颤振失效概率双双降低到了10-5量级，显然气候变暖影响远大于性能衰变影响；基于气候变暖和性能衰变双重影响，虎门大桥和西堠门大桥的颤振失效概率都维持在10-5量级。如果颤振失效概率以10-6作为控制值，基于气候变暖影响的两座悬索桥颤振可持续性都无法满足要求。

全寿命气候变暖和性能衰变共同影响下的悬索桥，全寿命涡振设计荷载——涡振设计风速和全寿命涡振设计抗力——涡振锁定风速都是时变的和随机的，都需要采用时变概率分布模型表示，同样采用蒙特卡罗数值模拟方法，可以计算确定虎门大桥和西堠门大桥全寿命气候变暖和性能衰变共同影响下的涡振失效概率和持续时间如表10所示，也分四种状态。基于气候变暖和性能衰变双重影响，虎门大桥和西堠门大桥的涡振失效概率分别为0.0564和0.2862。如果涡振失效概率以10-2作为控制值，基于气候变暖影响以及气候变暖和性能衰变双重影响的两座桥梁涡振可持续性都无法满足要求。

本文首先提出了气候变暖台风设计风速时变概率模型及预测方法，建立了气候变暖台风悬索桥全寿命颤振和涡振可靠性分析方法，10座悬索桥全寿命分析结果表明，气候变化导致颤振和涡振失效概率分别增加1至3个数量级和0.5至9倍；然后，提出了悬索桥动力特性自振频率和振动阻尼演化时变概率模型与估计方法，建立了结构性能衰变悬索桥全寿命颤振和涡振可靠性分析方法，虎门大桥和西堠门大桥全寿命分析结构表明，自振频率衰变影响稍有利于涡振、但不利于颤振，振动阻尼衰变影响颤振较小、但影响涡振较大；最后，基于气候变暖台风和结构性能衰变独立分析模型和方法，建立了同时考虑气候变化和性能演化的全寿命颤振和涡振可靠性分析方法，气候变化和性能演化双重影响下，虎门大桥和西堠门大桥颤振和涡振失效概率分别增加3至4个数量级和0.5至1个数量级。

值得注意的是，气候变暖台风涡振设计风速可能不适合用于涡振概率性评价，因为涡振锁定风速一般不是由极值风速控制的；自振频率衰变对涡振失效概率的有利影响有待验证，振动阻尼衰变对颤振失效概率没有影响不适用于缓慢发散的“软颤振”。