最近，吊橋的建造在韓國成為一個熱門話題。在韓語中“Chullung Dari”的字面意思是晃動、搖晃的橋，從專業術語方面解釋，指代的是大跨度人行懸索橋。那為什么大跨度人行懸索橋會在韓國成為一個流行趨勢？因為這種類型的橋可以吸引大量的游客，而且建造成本不高。目前，韓國共有171座人行吊橋在服役，而其中的108座是在2010年之后才建造的。
圖1 SOGUEMSAN橋
就像圖1中這座位于韓國原州市的SOGUEMSAN橋，它連接著兩座山峰，風景優美、交通方便。2018年11月11日對外開放，在之后的117天里，累計游客數量就已突破100萬。
盡管這類人行懸索橋廣受歡迎，但由于至今沒有專門的設計規范和維修指南，因此人們也越來越關注橋梁的安全性問題。作為制訂這些設計和維修指南的一部分，本文研究的目標是：歸納研究出具有代表性的大跨度人行懸索橋的動力特性，建立可接受的振動水平參考值，并發現需要特殊考慮的因素，或需要進一步研究的課題。之所以從一開始就將重點放在動力特性方面，主要是因為基于過去的經驗，對這類結構的動力行為并沒有了解得十分清楚。因此，通過動力特性實驗來研究其行為，并以兩座具有代表性的人行懸索橋為例，介紹動力振動測試的相關內容。
動力振動測試
動力振動測試的目的是測量加速度和位移的響應、識別模態特性、驗證分析模型、設定振動水平的參考值。以SOGUEMSAN大橋與MAJANG湖橋兩座橋梁為例，分別進行了3種振動測試，來了解橋梁的動力特性。
MAJANG湖橋是一座現代的人行懸索橋，橋長220m，寬1.6m，有兩個上部纜索和6個下部纜索支撐，采用天然基礎及永久性錨固系統。大橋于2018年3月29日開放，至今運行良好。
圖2 MAJANG湖橋橋面節段示意圖
每一段橋面鋼架結構的長度為3m，各節段之間沒有縱向連接。纜索的斷裂荷載可達1320KN，由于纜索的垂直分力沒有橋塔支撐，而是用短桿支撐，因此這類橋梁有時也被叫做無塔式懸索橋。
在動力測試的傳感器總體布局中，我們安裝了8個豎向加速度計、4個水平加速度計、1個激光位移傳感器（橫向和縱向），位移傳感器用來捕捉橋梁的運動位移點。在安裝了儀器之后，首先做了強迫振動測試，共分了13種情況，測試內容包含豎向跳躍的人為激勵、水平推力、周期和脈沖激勵，并將人數分別設定為6人一組和40人一組，以及基于模態分析的7個臨界點。
圖3 人行振動測試
其次是人行振動測試。圖3展示了人行振動測試的4種行走情形，包括中心線行進、側邊線行進、雙邊線同向行進、雙邊線反向行進，測試速度的頻率變化從1.5～3.5Hz。當開展人行振動測試時，我們嘗試把步行速度通過使用智能手機上的APP來實現同步。
模態特性識別
使用上述兩項測試的數據，進行橋梁的模態特性識別。對于模態擬合的方法，采用頻域分解法（FDD）和特征系統實現算法（ERA）。頻域分解法用于識別模態的頻域和振型，特征系統實現算法用于識別模態的阻尼比。識別出的11個主模態的振動頻率在0.2～4.7Hz。模態特性顯示高頻區域出現人行振動測試中，且以扭轉模態為主，在0.936～2.264Hz，而強迫振動的水平、垂直模態位于低頻區，在0.220～0.659Hz。
在識別的阻尼比特性中發現，人行激勵的高階模態（約2.0Hz），有相對較低的阻尼比，低于0.01。而0.005的阻尼比是用于做風荷載分析以及動力分析。
SOGUEMSAN大橋與MAJANG湖橋的結構形式類似，橋長200m，寬1.5m，橋面框架結構和錨固系統與MAJANG湖橋也基本一樣。但不同的是，MAJANG湖橋采用的是局部敞開式格柵橋面，而這座橋是全開式格柵橋面。大橋于2018年1月11日開放，至今運行良好。
考慮到SOGUEMSAN大橋的橋面高度更高，對人行速度要求更高，所以我們也進行了同樣的強迫振動測試和人行振動測試。除此之外，還測量了加速度和位移響應，并進行了詳細的記錄。
圖4 模態特性識別
振動舒適度
由于與普通的人行橋不同，這類大跨度人行懸索橋的設計是允許一定程度的振動，以滿足人們追求通行時的趣味性和刺激性。然而，我們卻很難明確這種振動的程度。根據普通人行天橋振動的各種使用能力準則，可以預估出此類橋梁的振動水平。借助這兩座橋的動力特性和測量數據，我們嘗試識別橋梁的振動水平，了解其振動舒適度，制定出評估的流程。
對此，我們分析了每座橋的7次人行測試數據，并記錄了SOGUEMSAN大橋在8個小時內的振動測量數據。總體來說，兩座橋的最大加速度響應是相似的，而SOGUEMSAN大橋的最大水平加速度相對高一些。很顯然，隨著行人數量的增加，最大加速度響應也隨之增加。有趣的是，加速度和行人數量的關系似乎不是線性的，最大加速度相對于行人的數量成指數級增加，但這只是過度簡化的一個結果，還需要更深入地研究，了解兩者之間的關系。
圖5 豎向加速度
對一些現有的舒適度和可靠度標準、振動標準以及動力測試結果，這兩座橋梁在豎向加速度數值上都比現有的標準值高。對于普通的人行橋，大多數標準都建議最大豎向加速度不應該超過平均舒適度0.5～1.0 m/s2。如預期的那樣，研究的這兩座大跨度人行懸索橋的豎向加速度水平比平均舒適度標準高了2～4倍。并且對于這類大跨度人行懸索橋，豎向加速度主要是由扭轉振動引起的。與豎向加速度相比，水平加速度似乎沒有超過舒適度標準太多。雖然在這些測試中沒有觀察到，但應該注意的是，水平振動似乎很高，足以引起同步側向激勵，也叫鎖定現象。
圖6 水平加速度
抗風穩定性
對于此類人行懸索橋的抗風穩定性不同于其他大跨度懸索橋，從二維截面模型的風洞試驗結果發現，由于MAJANG湖橋采用的是局部開放式格柵橋面，設計風速在24.8m/s以下出現了渦激振動(扭轉)，而SOGUEMSAN大橋采用全開式格柵橋面，沒有觀測到渦激振動。兩座橋都沒有觀察到顫振，與預期的結果差不多，和其他大跨度懸索橋沒有太大差別。
除了風洞實驗，我們還通過抖振分析來估算加速度響應。抖振是一種隨機振動，起因是湍流風速的波動。一般來講，對于抗風穩定性，渦激振動和顫振是兩個主要的問題，顫振關系到橋梁的舒適度和可靠度。從韓國首爾國立大學的Ho-Kyung Kim教授的抖振研究課題中我們發現，風速的增大會給橋梁帶來不良的振動。按照舒適度標準，從水平加速度響應圖表中可以看出，在10分鐘內，MAJANG湖橋和SOGUEMSAN大橋的臨界風速分別為15m/s和18m/s。根據計算結果，建議將10分鐘內的風速在15～18m/s作為橋梁安全運行的風速。
對于大跨度懸索橋，渦激振動和顫振的位移響應要更大。但是，抖振也會導致嚴重的位移響應，尤其在高風速地區。分析顯示，兩座橋在設計風速下的位移響應非常大。不同于大跨度懸索公路橋，人行懸索橋的抗風穩定性可以由抖振位移響應來控制。
圖7 基于抖振分析的加速度響應
通過介紹韓國近年來修建的多座大跨度人行懸索橋的情況，從動力測試的結果分析出扭轉振動占主導地位，并能產生更大的豎向振動，超過平均舒適度標準的2～4倍。對于抗風穩定性，抖振的位移響應比渦振或顫振更加重要。由于活荷載（人行荷載）的比例相對于公路懸索橋高，因此，活荷載的幾何非線性作用可能會變得更顯著。在大位移情況下會出現高度的非線性行為。在動力分析中，需要研究移動質量效應。傳統的二維截面風洞試驗只有兩個自由度，與橋梁截面的實際運動不相符，不適合捕捉橋梁截面的真實運動，因此我們也正在開發新的建模方法。
近期，韓國還在建設中的大跨度人行懸索橋，有一座是位于居昌（Geochang）的，非常獨特的Y形懸索橋，我們也對其進行了強迫振動測試；還有一座正在規劃階段，計劃今年開工建設的韓國最長的人行懸索橋，長度600m。目前，韓國橋梁和結構工程師協會（簡稱KIBSE）正在制定人行天橋的設計指南和人行懸索橋的運維指南。
（本文僅代表作者觀點，如有任何學術意見，歡迎探討）
本文刊載 / 《橋梁》雜志 2020年 第6期 總第98期
作者 / 樸垣錫
作者單位 / 韓國國立木浦大學土木工程系
(文章來源52監測網，本文轉載自百家號作者橋梁雜志，僅用來學習及交流，侵權刪）
