2020年4月26日武汉鹦鹉洲长江大桥涡激振动及风特征剖析

Analysis of vortex-induced vibration and wind characteristics of Wuhan Yingwuzhou Yangtze River Bridge on April 26th，2020

摘要

本研究利用武汉鹦鹉洲长江大桥2020年4月26日汉阳侧主跨竖向位移数据及同期桥面气象站不同时程的风数据，结合周边国家气象站历时数据，统计分析了桥位区背景风、实时风特征及影响桥梁的关键风参数，以期合理解释此次涡激振动现象.结果表明： 1） 鹦鹉洲大桥当日14：00和18：30左右先后出现了2次可感知的波浪状起伏竖向振动，最大震动幅度达1.0 m以上. 2） 大桥当日8：00风速开始增大，12：00—17：00平均及最大风速7~10 m·s^-1，极大风速8~11 m·s^-1，属于正常偏大风速范畴；风向高度集中在SW方向，与桥体走向近乎垂直，桥面受压增加. 3） 大桥当日12：00—18：00湍流强度和阵风系数都不大，脉动风功率谱尾部0.1 Hz频率（对应周期为10 s）对部分刚性建筑结构有一定共振作用，不过面积较小，对桥体影响较弱.此次涡激振动发生前，风速逐渐增大，能量累积持续时间长，但关键风参数仍然在可控制范围，所以桥面振动幅度有限.

Abstract

Using the vertical displacement data of the main span on the Hanyang side of the Wuhan Yingwuzhou Yangtze River Bridge on April 26， 2020， and the concurrent wind data from the bridge's meteorological station at different time intervals， combined with historical data from surrounding national meteorological stations， this study statistically analyzed the background wind and real-time wind characteristics of the bridge area， and the key wind parameters affecting the bridge， aiming to provide a reasonable explanation for the vortex-induced vibration phenomenon observed. The results are shown as follows. 1） The Yingwuzhou Bridge experienced two perceptible wave-like vertical vibrations around 2：00 and 18：30 on that day， with a maximum vibration amplitude exceeding 1.0 meters. 2） The wind speed began to increase at 8：00， with average and maximum wind speeds between 7~10 m·s^-1 from 12：00 to 17：00， and peak wind speeds between 8-11 m·s^-1， within the high-normal wind speed range. The wind direction was highly concentrated in the SW direction， nearly perpendicular to the Main span of the bridge， increasing the pressure on the bridge deck. 3） The turbulence intensity and gust factor were not significant from 12：00 to 18：00 that day. The tail of the fluctuating wind power spectrum at a frequency of 0.1 Hz （corresponding to a period of 10 seconds） had a certain resonance effect on some rigid building structures， but the area was small， having little impact on the bridge. Before the occurrence of the vortex-induced vibration， the wind speed gradually increased， and the energy accumulation lasted for a long time， but the key wind parameters remained within controllable limits， so the vibration amplitude of the bridge deck was limited.

Graphical abstract

关键词

鹦鹉洲长江大桥 / 开口钢-混凝土结合梁 / 涡激振动 / 风速 / 风向 / 风参数

Key words

Wuhan Yingwuzhou Yangtze River Bridge / composite steel-concrete beams with open sections / vortex-induced vibration / wind speed / wind direction / wind parameters

随着现代技术发展和经济社会发展需求加大，现代桥梁建设进入大发展阶段，且大跨度、多样化、轻柔化发展趋势明显，从而对气象条件尤其极端大风、持续性强风、大攻角、强湍流、冰冻、暴雨洪涝等极端天气越来越敏感，气象条件成为现代大跨度桥梁规划设计、建设运维必须考虑的关键影响因子甚至是限制性因子，不利或极端气象条件更会造成桥梁结构疲劳、偏移、晃动或涡激振动、颤振、风雨激振乃至损坏或垮塌^［1-4］.2020年4月26日、5月5日，武汉、广州两地先后出现大桥桥面急剧晃动事件（即涡激振动），其中广州还采取了紧急封路措施，引起社会广泛关注，桥梁涡激振动逐步进入公众视野.

所谓涡激振动是大跨度桥梁在低风速下出现的一种风致振动现象，通常有绕流通过实腹梁桥断面后交替脱落的涡旋并引起上下抖动^［5］.涡激振动虽然没有颤振危害大，但频繁持续的涡振会造成桥梁构件疲劳破坏，并引起行人和行车不适乃至社会的关注.朱金等^［6］分析大跨度公路悬索桥竖弯涡振时驾驶员的晕动症，并提出了基于国际标准评价法的人体全身振动评价方法；于和路等^［7］研究在涡振影响下大跨度公路桥梁的行车性能，分析了车速、车辆类型及数量、路面粗糙度等因素对乘坐舒适性的影响；张国庆等^［8］基于涡振条件下风-车-桥耦合系统分析模型，研究湍流对公路桥梁涡振动对车辆乘坐舒适性的影响，因此避免涡激共振也是桥梁抗风设计的重点难点之一.陈政清等^［9］分析了大跨度桥梁的竖弯涡振限值，陈尚烽^［10］通过建立考虑行车安全性的涡振限值计算模型，并采用迭代法计算涡振振幅限值.

武汉市号称“桥都”，目前已在长江、汉江上各建成大桥10余座、在建长江大桥2座，合计20余座.2020年4月26日鹦鹉洲大桥出现了两次可感知的波浪状起伏即竖向振动，最大震动幅度为1.1 m以内，虽然仍在可控制范围，但给驾乘人员带来身体不适或心理恐慌，引起广泛关注.在此次大桥涡激振动事件之前，桥梁管理、气象部门在该桥上分别建立的一个气象站，为本研究提供了很好的数据基础.本文基于桥梁流体力学及气象原理，利用气象数据进行参数计算分析，给出涡激振动发生前后的气象指标，解释此次竖向振动原因，以期进一步提高桥梁安全性和舒适性.

1 武汉鹦鹉洲长江大桥概况

武汉鹦鹉洲长江公路大桥（以下简称鹦鹉洲大桥）是世界上跨度最大的三塔四跨悬索桥，也是武汉市长江上的第二座悬索桥，位于武汉长江大桥与武汉杨泗港长江大桥之间，连接汉阳鹦鹉大道与武昌复兴路，是武汉第八座长江大桥，2014年12月28日建成通车.该桥全长3.42 km，主桥全长2.1 km，主跨跨度85 m+150 m+85 m，边跨主缆跨度225 m，主梁跨度200 m，边、中塔塔顶高差18 m，主南北边塔高126.2 m.该桥桥体的走向为WN-ES，与武汉市主导风向NNE，近乎垂直，外部条件较为不利，如图1、图2所示.

2 资料与方法

2.1 气象资料

武汉市蔡甸国家气象站数据：该站离桥位最近，约30 km，于2015年1月由蔡甸城区搬迁到后官湖一个半岛上（蔡甸区通城道路高湖大桥北），站址开阔，空间代表性好，地理坐标为114°00′E，30°31′N，海拔高度23.6 m，本文中采用该站2015年1月至2024年12月的10 min平均风速风向资料进行参证站风特征分析.

桥面两个气象站（见图2）数据：包括武汉市气象局建设的鹦鹉洲大桥交通气象站（简称1号站点）2020年4月26日逐时及逐2 min、5 min、10 min的平均风速、最大风速及出现时间、极大风速等；武汉市城投公司建设的桥梁健康系统气象站（简称2号站点）2020年4月26日01：00至27日21：00逐时气象资料，包括最大风速及风向，其中26日无风向资料.

图3为2020年4月26日8：00—23：00桥面两个气象站最大风速对比情况.可见，两站点最大风速变化趋势一致，整体为“小—大—小—大—小”的波动变化特征，只是在13：00、18：00、19：00时1号站点最大风速略大于2号站点，在11：00、22：00则反之，相差也只在1~3 m·s^-1之间，表明两者在总趋势一致的基础上略有差异，同时两站点相关系数为0.92，通过了置信度为0.01的显著性检验.综上表明桥面气象站数据均可信.桥面风特征分析均采用1号站点数据.

2.2 桥梁竖向位移资料

桥梁健康管理系统完整记录了鹦鹉洲大桥桥身振动状况，本文采用的是2020年4月26日全天的鹦鹉洲大桥汉阳侧主跨竖向位移数据（m），时间分辨率单位为s，向上为正、向下为负，由武汉城运公司提供.

2.3 风参数及计算方法

除了常用的平均风速、风向频率、风玫瑰图，根据桥梁建设抗风设计气候可行性论证的相关标准和文献^{［3，11-12］}，还计算了与涡激振动相关的湍流强度、阵风系数、脉动风功率谱等参数.

2.3.1 湍流强度

湍流强度（I，无量纲）是表示瞬时风速偏离平均风速的程度，评价气流稳定程度的指标，根据国际标准IEC分类， I≤0.12、 I≥0.25分别表示湍流较小或过大.大气湍流强度与地形、地表粗糙度、风速大小、大气稳定度和影响的天气系统类型等因素有关，其计算公式为：

I=\sigma_v/V_{10 min}，（1）

式中，\sigma_v为10 min风速标准偏差（m·s^-1）；V_{10 min}为10 min平均风速（m·s^-1）.本文取整点前10 min风速数据.

2.3.2 阵风系数

阵风系数（β，无量纲）是考虑到瞬时风较平均风大而乘的系数，一般是阵风风速与时距5 min或10 min的平均风速之间的比值，维护结构的重要系数，通常取值在1.2~1.3之间，其计算公式为：

β=V_3s/V_{5~10 min}，（2）

式中：V_3s为阵风风速，通常取5 min或10 min内极大风速（m·s^-1）；V_{5~10 min}为5 min或10 min平均风速（m·s^-1）；本文取逐5 min风速数据.

另外β值还可以通过查表及进行高度订正^［3，11］.

2.3.3 脉动风功率谱

风荷载是高耸建（构）筑物的主要荷载，作用于任何建筑物的风力，都有稳定风压和脉动风压两种，除了稳定风压引起的静力作用外，还有脉动风压引起的动力作用，这是由于空气湍流运动而构成的，它是一个不规则运动.风速中存在的高频脉动对不同刚度（自振频率）的结构物会产生不同的响应.

脉动风功率谱（Sv（n），m²·s^-1）可表征X=\frac{Ln}{{\overline{V}}_{\mathrm{10}}}脉动风速的频率特征，采用Davenport经验公式来计算，其表达式为：

Sv(n)=\mathrm{4}K{\overline{V}}_{\mathrm{10}}^{\mathrm{2}}\frac{x^{\mathrm{2}}}{n(\mathrm{1}+x^{\mathrm{2}}{)}^{\mathrm{4}/\mathrm{3}}},

式中，n为风频谱的频率（Hz）；K为地面阻力系数，取值从河湾的0.003增至市镇的0.03，与地面粗糙度有关；V₁₀为10 m高度平均风速（m·s^-1）；L为假定的湍流行程长度，一般取1 200 m.

3 结果分析

3.1 桥梁涡激振动特征分析

图4为鹦鹉洲大桥汉阳侧主跨竖向位移2020年4月26日全天（图4a）及细部（图4b、图4c）时程图.由图可见，大桥在14：00和18：30左右先后出现了两次可感知的波浪状起伏竖向振动，其实自上午 7：00 时起，主梁挠度监测数据出现明显波动，13：25、17：54波动开始扩大，同跨内主梁竖向位移变化方向一致，主梁未发现扭转现象.此次发生的是短时间限幅涡激振动，最大震动幅度为1.0 m以上（向上0.6 m以上、向下0.4 m以上，见图4），仍在可控制范围.

3.2 参证站风特征分析

3.2.1 平均风速年内变化特征

从表1可见，近10年来参证站年10 min平均风速为2.18 m·s^-1，各月平均风速在1.90~2.50 m·s^-1之间，7月平均风速最大为2.5 m·s^-1，12月平均风速最小为1.9 m·s^-1.从季节分布看，夏季平均风速较大，为2.33 m·s^-1，冬季最小为2.02 m·s^-1，本次桥梁涡激振动事件就发生在风速较大的春季.

3.2.2 风向频率、平均风速玫瑰图

图5为参证站年风向频率及平均风速玫瑰图.该图能直观给出主导风向、次主导风向和各风向下的风速分布.参证站全年以NNE风方位为主导风向（春季主导风向亦为NNE），占比约20%，其主导风向下平均风速最大为7.9 m·s^-1；次主导风向为SSW，占比约16%，次主导风向下平均风速最大为6.9 m·s^-1；静风频率为5.7%.主导和次主导风向均与桥面垂直或较大夹角，均为不利情景.

3.3 当日桥面风速和风向逐时变化特征

图6为当日8：00—20：00桥面站点逐时平均、最大及极大风速变化图.从中可知，1） 当天8：00—20：00桥面平均风速为6.8 m·s^-1，该值均远大于地面累年平均风速，这主要是天气形势和高度效应共同作用的结果，当天风速大值出现在中午以后，最大值出现在17：00，平均风速为9.5 m·s^-1，次大值出现在12：00，平均风速为8.4 m·s^-1. 2） 最大风速大值也是出现在下午时段，最大值出现在18：00，为9.8 m·s^-1，次大值出现在13：00，为9.6 m·s^-1，第三大值出现在17：00，为9.3 m·s^-1.极大风速最大值出现在13：00，为11.0 m·s^-1，次大值出现在16：00、18：00，均为10.9 m·s^-1.总之，由于风速持续偏大，能量持续堆积，而且12：00—13：00、17：00—18：00这两个时间点与桥梁发生最大竖向振动的时间较为吻合.

图7为气象站点当日8：00—20：00风向频率玫瑰图.可以看出，全天主导风向是SW，占全天风向的57.8%，次多风向是SSW，占10.0%，二者合计67.8%.该风向与主梁走向基本垂直，属于不利情景.

3.4 当日桥面处风湍流特征

图8为当日8：00—23：00桥面逐5 min平均风速与湍流强度、阵风系数对比图.可见，当日中午12：30左右、14：00、17：00这三个风速较大的时段，湍流强度小于0.12，属于偏小，阵风系数1~1.5.17：00时后随着风速下降，湍流强度和阵风系数均有所增加.这样的特征，对桥梁的破坏性较小.

3.5 当日桥面风功率谱特征

分别计算8：00—20：00、12：00、14：00、17：00等4个时段（次）风功率密度，如图9.由此可知，在同一高度，密度极值相等，分布曲线随大风过程平均风速的增大而右移.桥体各部位自振频率在0.114 5~0.760 4 Hz之间，图9尾部0.1 Hz频率（对应周期为10 s）对部分刚性建筑结构有一定共振作用^［3，12］，不过面积较小，对桥体影响甚微.

4 结果与讨论

1） 鹦鹉洲大桥当日14：00和18：30左右先后出现了两次可感知的波浪状起伏竖向振动，最大震动幅度为1.0 m以上（向上0.6 m左右、向下0.4 m左右），为有限幅度的涡激振动现象，仍在可控制范围.

2） 鹦鹉洲大桥当日12：00—17：00的平均及最大风速在7~10 m·s^-1之间，极大风速在8~11 m·s^-1之间.作为宽阔水面上的风速，往往要比周边国家气象站风速大，可见此次鹦鹉洲大桥桥面风速并不是特别大，如阳逻长江公路大桥10 m高度百年一遇的最大风速是29.9 m·s^-1［13］.风向高度集中在SW方向，与桥体走向近乎垂直，桥面受压陡增.

3） 鹦鹉洲大桥当日12：00—17：00湍流强度和阵风系数都不大，但是脉动风在高频段对某些刚性结构会产生共振的可能，需要利用高频率数据（1 min、1 s分辨率）进一步研究.

4） 2020年5月5日广东虎门大桥同样发生了涡激振动.其主要原因是沿桥跨边护栏连续设置水马，改变了钢箱梁的气动外形，在特定风环境条件下，产生了桥梁涡激振动现象；与本文中鹦鹉洲大桥涡激振动分析原因基本一致，区别在于鹦鹉洲大桥的特定风况环境并非人为原因导致.

可见，此次涡激振动发生前，风速逐渐增大，能量持续累积时间长，但一些关键风参数较小或远离不利范围，所以桥面振动不至于太大.另外由于桥面没有三维、高频气象观测或桥位区没有近地层风的垂直探测，无法计算风攻角^［14-16］.而本次振动以上下起伏振动为主，因此安装三维超声风速仪和垂直探测系统非常必要.

参考文献

[1] 王元丰， 韩冰. 极端气候事件对桥梁安全性的影响分析［J］. 土木工程学报， 2009，42（3）： 76-80.

[2] WANG Y F， HAN B. Influences of extreme climate events on bridges［J］. China Civil Engineering Journal， 2009， 42（3）： 76-80.（Ch）.

[3] 程进， 江见鲸， 肖汝诚，等. 风对桥梁结构稳定性的影响及其对策［J］. 自然灾害学报， 2002，11（1）： 81-84.

[4] CHENG J， JIANG J J， XIAO R C， et al. Influence of wind on stability of bridges and its countermeasures［J］. Journal of Natural Disasters， 2002， 11（1）： 81-84.（Ch）.

[5] 中华人民共和国交通运输部. JTG/T 3360-01—2018 公路桥梁抗风设计规范 ［S］.北京：人民交通出版社，2019.

[6] Ministry of Transport of the People's Republic of China. JTG/T 3360-01—2018 Wind-resistant Design Specification for Highway Bridges ［S］. Beijing： China Communications Press，2019.（Ch）.

[7] 项海帆. 结构风工程研究的现状和展望［J］. 振动工程学报， 1997，10（3）： 258-263.

[8] XIANG H F. State of the art and prospect in studies on structural wind engineering［J］. Journal of Vibration Engineering， 1997， 10（3）： 258-263.（Ch）.

[9] 许福友， 丁威， 姜峰，等. 大跨度桥梁涡激振动研究进展与展望［J］. 振动与冲击， 2010，29（10）： 40-49；249.

[10] XU F Y， DING W， JIANG F， et al. Development and prospect of study on vortex-induced vibrationof long-span bridges［J］. Journal of Vibration and Shock， 2010， 29（10）： 40-49；249.（Ch）.

[11] 朱金， 李涵， 熊籽跞，等. 大跨度公路悬索桥涡振条件下驾驶员全身振动研究［J］. 土木工程学报， 2023， 56（8）： 60-74；84.

[12] ZHU J， LI H， XIONG Z L， et al. Evaluation of whole body vibration of vehicle drivers on long-span highway suspension bridge experiencing vortex-induced vibration［J］. China Civil Engineering Journal， 2023， 56（8）： 60-74；84.（Ch）.

[13] YU H L， WANG B， ZHANG G Q， et al. Ride comfort assessment of road vehicle running on long-span bridge subjected to vortex-induced vibration［J］. Wind and Structures， 2020， 31（5）： 393-402.

[14] ZHANG G Q， XU Y L， WANG B， et al. Turbulence effects on Vortex-induced dynamic response of a twin-box bridge and ride comfort of the vehicle［J/OL］. International Journal of Structural Stability and Dynamics， 2023， 23（16n18）［2025-09-25］.

[15] 陈政清， 黄智文. 大跨度桥梁竖弯涡振限值的主要影响因素分析［J］. 中国公路学报， 2015， 28（9）： 30-37.

[16] CHEN Z Q， HUANG Z W. Analysis of main factors influencing allowable magnitude of vertical vortex-induced vibration of long-span bridges［J］. China Journal of Highway and Transport， 2015， 28（9）： 30-37.（Ch）.

[17] 陈尚烽. 考虑行车安全性的桥梁竖向涡振限值计算［J］. 中外公路， 2019，39（6）： 114-117.

[18] CHEN S F. Computation of threshold vertical vortex-induced vibration of bridges accounting for traffic safety［J］. Journal of China & Foreign Highway， 2019，39（6）： 114-117.（Ch）.

[19] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB 50009—2012 建筑结构荷载规范 ［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

[20] The Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China，General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People's Republic of China. GB 50009—2012 Load code for the design of building structures ［S］. Beijing： China Architecture and Building Press，2012.（Ch）.

[21] 刘峰， 许德德， 陈正洪. 北盘江大桥设计风速及脉动风频率的确定［J］. 中国港湾建设， 2002，22（1）： 23-27.

[22] LIU F， XU D D， CHEN Z H. Calculation of designed wind velocity and wind pulsating frequency for the great bridge over the Beipan River［J］. China Harbour Engineering， 2002， 22（1）： 23-27.（Ch）.

[23] 陈正洪， 杨宏青， 向玉春，等. 武汉阳逻长江公路大桥设计风速值的研究［J］. 自然灾害学报， 2003，12（4）： 160-169.

[24] CHEN Z H， YANG H Q， XIANG Y C， et al. Research on design wind-velocityof Yangluo Yangtse River bridge in Wuhan［J］. Journal of Natural Disasters， 2003， 12（4）： 160-169.（Ch）.

[25] 刘志文，魏子然，何法伟，等.大跨悬索桥Π形加劲梁处风参数实测与风攻角修正［J］.湖南大学学报（自然科学版），50（11）：1-13.

[26] LIU Z W， WEI Z R， HE F W， et al. Field measurement of wind parameters and correction of wind angle of attack at Π-shaped stiffening girder level of large-span suspension bridge［J］. Journal of Hunan University （Natural Sciences）， 2023，50（11）： 1-13.（Ch）.

[27] 刘芳， 陈正洪， 陈盛林，等. 棋盘洲长江公路大桥桥位区短期考察风特征分析［J］. 华中师范大学学报（自然科学版）， 2012，46（6）： 762-766.

[28] LIU F， CHEN Z H， CHEN S L， et al. Analysis onthe characteristics ofthewindatthe Qipanzhou Yangtse River bridge based on a short-term investigation［J］. Journal of Central China Normal University （Natural Sciences）， 2012，46（6）： 762-766.（Ch）.

[29] 李力， 陈城， 周云祥，等. 宜昌地基遥感垂直观测系统探测精度分析研究［J］. 华中师范大学学报（自然科学版）， 2024，58（5）： 589-598.

[30] LI L， CHEN C， ZHOU Y X， et al. Analysis andresearchondetectionaccuracy of Yichang ground-remote sensing vertical observation system［J］. Journal of Central China Normal University （Natural Sciences）， 2024，58（5）： 589-598.（Ch）.

基金资助

武汉市气象联合基金项目(2023020201010579)

湖北省气象局科研课题(2023Y08)