研究背景

随着桥梁跨越能力不断提升，桥梁也愈发轻柔，对风的作用愈发敏感。现有工程实践证明，大跨度桥梁的颤振问题在桥梁抗风设计阶段通过提高颤振临界风速已得到基本解决，但是涡振却难于通过设计得到很好的解决。涡激共振是大跨度桥梁在常遇风速下容易发生的一种风致振动现象，具有自激和自限幅的特性，它可出现在各种桥型之中，比如悬索桥（中国虎门大桥、西堠门大桥、鹦鹉洲大桥、韩国李舜臣大桥、美国韦拉札诺海峡大桥），斜拉桥（韩国天使大桥、英国赛文二桥、凯索克大桥等），梁桥（俄罗斯伏尔加河大桥、日本东京湾大桥等），拱桥（西班牙 ALconetar 桥）均发生过涡振。涡激共振虽然不像颤振一样会在短时间内导致整体结构的毁灭性破坏，但过大的振幅和加速度会严重影响桥梁的使用功能，频繁发生的涡振还可能引起构件的疲劳破坏。因此，对于桥梁涡振的监测、分析和控制对于交通安全和桥梁管养都十分重要。大跨度桥梁在发生高阶模态涡振时，桥面会形成凹凸起伏的曲线会对驾驶人的行车视线造成干扰，引起驾驶员恐惧的心理，从而影响到驾驶员的行车安全。

   目前，国内外规范或相关研究都是从涡振限值（人体振动舒适性）、行车视线（行车安全）、以及涡振引起结构构件的疲劳等角度来提出桥梁涡振性能的评价指标，而基于主梁动构形监测的全桥面行车前盲区在线感知及其变化规律还有待研究。

主要亮点

• 本文提出基于主梁实时动构形监测的全桥面行车前盲区在线实时感知技术。

• 主要亮点在于利用基于监测数据的主梁实时动构形，建立了精确计算驾驶人行车视觉前盲区的方法，建立行车安全性度量方法，进而探索涡振期间车辆因素对驾驶人行车前盲区的影响规律。在此基础上，为涡振期间主梁行车交通综合实时评判与干预决策提供依据， 如图1所示。

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  图1   基于主梁实时动构形的全桥面行车视觉前盲区在线感知及规律研究

摘要

研究内容和方法

1.目的

图 2  某种轿车行驶在平坦路面时，视野前盲区

  地面坡度对车辆前盲区视野影响比较大。车辆在上坡时，前盲区变大，在波峰时最大；车辆在下坡时，前盲区变小，在波谷时，前盲区最小。如 图  3 所示。

图3  某种轿车在上坡与平地时，视野前盲区变化

2.工作内容

  车辆行驶在发生涡振桥梁上，驾驶员视野前盲区随着车辆的位置和动构形的变化而变化。如 图  4 所示。在涡振条件下，车辆和主梁都在不断地运动。若不考虑车辆行驶在曲线的实际情况会导致计算结果的不准确。车辆位置变化的解释：涡振下主梁的构形是运动的，车辆从一点到另一点的运动是曲线，在时间步很小的情况下，近似与倾斜的直线。斜直线在水平和竖直方向分解，水平位移用车速乘以时间代替。车辆在主梁的位置的纵坐标由当前时刻涡振的振幅确定。

图4   涡振下驾驶人行车视觉前盲区变化示意图

3.主要创新方法

研究结论

  本文以主梁加速度振动监测数据为基础，利用实时在线加速度积分算法得到测点实时位移，并通过函数拟合，实现悬索桥主梁动构型的实时估计。然后，实时确定车辆在桥梁相对位置，建立了精确计算驾驶人行车视觉前盲区的方法，提出了涡振情形下驾驶人行驶车辆的前盲区及行车安全实时感知框架。最后，以一座发生涡激共振的大跨度悬索桥为工程背景，验证该前盲区智能感知框架能够适用在不同车型、车速和车辆入桥时刻条件下。具体感知情况如下：前盲区变化具有周期性，周期约为涡振半个周期。车型是影响前盲区大小的主要因素。车速是控制驾驶人视觉前盲区经历时间的主要因素。当遇到最不利的情况，一定要注意前盲区，保证行车安全。该框架通过桥梁健康监测系统中加速度传感器的实时数据，不仅能够在线感知驾驶人行车前盲区，判断行车安全，而且为车辆自动驾驶服务，更提高汽车 - 道路 - 桥梁协同性，实现智慧交通功能。

学生作者简介

曾港 同济大学土木工程学院桥梁工程系2020级硕士 。 主要从 事桥 梁健康监测和在役桥梁安全评估的研究工作，研究方向为涡振下行车舒适性和视野研究等，并 作为技术人员参与多项桥梁健康监测系统设计与实施等横向项目。