深圳湾大桥实测风场参数与风致拉索振动响应分析
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万方数据
2009年第7期
梁柱等:深圳湾大桥实测风场参数与风致拉索振动响应分析
一147一
图2三向超声风速仪 深圳地处我国南部沿海地区,夏季多受热带气 旋(台风)的影响或袭击。2007年8月,有4个热带 气旋活动,其中第7号热带风暴“帕布”及第9号热 带风暴“圣帕”对深圳的影响较大。“帕布”对深圳影 响最为明显的时间出现在10日夜间到11日早晨; 。圣帕”影响最为明显的时间出现在17日早问及18 日晚上19时到20时。
ln‘彖’
流摩阻系数,五=O.4,本桥Zo一0.01。 本桥风速仪的安装位置离水面高度为26 nl,绘
制台风期间实测的水平向及垂直向脉动风功率谱见
图5、图6所示,其中频率n为横坐标,纵坐标为S (z,恕),均为对数坐标。
它
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胃
魁
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龆 强
囊 哥
蠡
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频率一 (1)台风“帕布”
频率疗 (2)台风“圣帕”
75 m,钢箱梁顶板宽38.6 m,底板宽28.75 m,梁高 4.126 9 m。索塔倾斜,塔顶高程为142.053 rn,桥型 布置见图1所示。在大桥主跨跨中两侧、次边跨跨 中两侧各布置一台三向超声风速仪。为减小风经过 桥体产生的涡流效应对测试产生的影响,每台风速 仪均配备可伸缩或旋转式桁架,将风速仪悬出结构 5 m以上,见图2所示。
0 100 200 300 400 500 600
时间/5 (1)纵向脉动风速Ⅳ
时间,s
.
(2)横向脉动风速v
时间/S (3)竖向脉动风速w
圈4三向脉动风速时程
万方数据
公路
2009年第7期
2.2实测湍流强度 湍流强度反映了风的脉动强度,三个方向的湍
流强度可用下式来表示:
I--可O"u
L=台
L一台
万方数据
2009年第7期
粱柱等:深圳湾大桥实测风场参数与风致拉索振动响应分析
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I——实测风谱1
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频率玎 (1)台风“帕布”
(4)
口(f)=一越:(t)sin口+越,(t)cos口
(5)
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(6)
“圣帕”经过深圳湾大桥时,测得的水平向瞬间 最大风速达21.3 m/s,lO min水平平均风速为 13.8 m/s,纵向脉动风速最大为9.7 m/s。,横向脉 动风速绝对值最大为12.6 m/s。三向风速时程见
圈5纵向脉动风功率谱
由图5、图6可以看出,台风期间,桥址处纵向 脉动风功率谱与Simiu谱吻合较好,台风“帕布”产 生的竖向脉动风功率谱与Panofsky谱十分吻合,而
台风“圣帕”产生的竖向脉动风功率谱则与Panof— sky谱在低频部分有一定偏差,表明脉动风在垂直 方向上的湍流动能分布在低频区间较大。
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频率厂/Hz
频Sf/Hz
圈10主跨最长索风雨振与微风振动功率漕对比
由图9、图10可以看出,安装阻尼器的长索在 台风期间的振动幅值有一定增大,但增幅不大(小于 10倍),可见阻尼器起到了较好的能量耗散作用。
4 结论 (1)深圳湾大桥在2007年8月台风期间的风场
[2]陈宝春·黄玲.吴庆雄.波形钢腹板部分斜拉桥[J].世 界桥梁,2004·(4)·
[3]盛勇·陈艾荣·瑞十森尼贝格桥造型研究[J]·世界桥 粱·2004,(4)‘
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[1]陈宝春!彭桂瀚·部分斜拉桥发展综述[J]·华东公路,
[5] 彭设桂,20瀚02,’兰三涛.陈宝…春.“部…分斜…拉’桥景…观。设计…[J。].
参数实测结果表明,风力大且持续时间短的台风,风 速脉动性及湍流强度均大于一般台风,这与文献[1] 中观测的湍流强度规律基本一致。
(2)台风期间,桥址处纵向脉动风功率谱与 Simiu谱吻合较好,竖向脉动风功率谱与Panofsky 谱基本吻合,但台风“圣帕”产生的竖向脉动风功率 谱则与Panofsky谱在低频部分有一定偏差,表明脉 动风在垂直方向上的湍流动能分布在低频区间较大。
(3)台风期间边跨短索发生了较明显的风雨振 动,最大振动加速度幅值达到1.3 g,因此针对与本 桥类似的独塔斜拉桥短索区,也可考虑采取增设阻
尼装置或辅助索等的减振措施。
参考文献: [1]庞加斌.宋丽莉,林志兴。等.风的湍流特性两种分析
方法的比较及其应用FJ].同济大学学报:自然科学 版,2006,34(1). [2] 肖仪清,孙建超,李秋胜.台风湍流积分尺度与脉动风 速谱一基于实测数据的分析[J].自然灾害学报,
图3所示,三向脉动风速时程见图4所示。
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时间/s (1)纵向水平分量地
20
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察,拉索振动对人的心理产生了一定的不利影响,因 此,短索区也可考虑增设阻尼装置或辅助索。
主跨最长索S12在台风期间及微风情况下的拉 索振动加速度时程及功率谱对比见图9、图10 所示。
圈9主跨最长索风雨振与微风振动时程对比
400×lO’
3.50×101
—3 00x10。
≥2.50x10·
客200xIO。
由表1可以看出,台风“圣帕”风力大,且持续时 间短。风速脉动性强,湍流强度明显大于台风“帕 布”,这也与文献[1]中观测的湍流强度规律一致。 2.3湍流功率谱
绝大多数风谱拟合形式依据Kolmogrove理 论,如水平脉动风谱中的yon Karman谱、Daven- port谱、Simiu谱;其中von Karman谱与湍流积分 尺度有关,Davenport谱与高度无关,Simiu谱与高 度有关,目前抗风设计及风洞试验多采用Simiu谱 进行模拟。其表达形式为:
1项目背景介绍 深港西部通道深圳湾公路大桥是一座连接深圳
与香港的跨海大桥,其中主桥为独塔单索面钢箱梁 斜拉桥.塔梁固结体系,桥跨布置为180 m+90 m+
单位:cm 圈l深圳湾大桥
连续感,而横截面方向主边孔悬臂不同则通过桥墩 上的挡板给予掩饰。力求整体结构给人稳定、均衡、 轻盈、向上挺拔的感觉,成为仙游县城的门户和标志 性的建筑物。
u= ̄/乱:2+“,2
(1)
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口=8YCCO¥并
(2)
U
妒=arctan斋
(3)
式中:‰、越,、“。为基本时距(一般取10 min) 内样本三个方向风速平均值。
纵向脉动风速“(£)、横向脉动风速口(£)和竖 向脉动风速硼(t)可根据以下公式计算:
比(f)=缸:(£)C08口+U,(£)sin口一U
10.8
台风“圣帕”8月17日5时
0.134 2
0.093 139
O.057 651
7.4
lO.7
台风“圣帕”8月17日6时 台风“圣帕”8月18日20时
O.137 341 0.264 16l
O.134 551 0.367 779
0.074 166 0.157 431
8.4 13.8
12.5 21-3
频率刀 (2)台风“圣帕”
圈6竖向脉动风功宰谱
3风致斜拉索振动响应 斜拉索的振动主要有涡激共振、风雨激振、参数
振动和线性内部共振几种形式,拉索的过度振动· 方面可能造成拉索及锚头的疲劳破坏,另一方面也 会对行人的心理产生不利影响。目前拉索的减振措 施通常采用改变拉索表面形态、设置辅助索或阻尼 器等方式。本桥拉索表面设螺旋线,主跨拉索区安 装了黏性阻尼器,边跨拉索未布设阻尼装置。关于 拉索风雨振的研究较早见于日本,近年来我国除了
nS(z,竹)一 200f
,虬
、。7
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(1+50厂)5/3
垂直脉动风谱多采用Panofsky谱,其表达形
式为:
nS(z,咒)一 6f
(9)
扯:
(1+4厂)2
式中:S(n)为水平向及竖向风功率谱密度函
数;咒为风的脉动频率;,2而nz 为相似律坐标,U
(z)表示2高度处的平均风速;“.:坚堕弩堡,为气
圈7边跨拉素风雨振与徽风摄动时程对比
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频率f/Hz (1)台风时边跨拉索振动功率谱
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0 100 200 300 400 500 600
2风场参数测试 随机变化的风,通常分为平均风(定常流)和脉
动风(湍流或紊流)两部分,研究风的湍流特性主要 有“矢量分解法”和“风速风向法”两种方法,结构风
工程中通常采用“矢量分解法”。 2.1风速与风向
三向超声风速仪采样频率为10 Hz,输出时间 序列设为纵向水平分量U,(£)、横向水平分量口,(£) 和垂直分量‰(f),则水平平均风速【,、风向角口和 风攻角为:
关键词:斜拉桥;湍流;实测;斜拉索I振动
抗风问题是大跨径桥梁设计重点考虑的因素, 在设计阶段,一般采用风洞模型试验及数值风洞进 行模拟,尽管现有的抗风理论能够为桥梁的抗风安 全提供可靠的依据,但关于风振机理的研究仍然是 各国学者研究的焦点。近10年来,由于大跨径桥梁 结构健康监测系统的兴起,为我们获得大桥真实的 风场环境及振动响应提供了便利的条件,系统测试 得到的数据可以为抗风研究积累丰富的资料。因此, 本文以深圳湾跨海大桥结构健康监测系统为基础,对 2007年台风过境时的测试数据进行了分析,可为今 后该地区或该类型桥梁的抗风设计提供参考。
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时间/s
(2)横向水平分量脚
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(3)垂直分量地
圈3三向风速时程
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公路2009年7月 第7期 文章编号:0451—071 2(2009)07—0146—05
中图分类号:U441.3
HIGHWAY Jul.2009 No.7 文献标识码:B
深圳湾大桥实测风场参数与 风致拉索振动响应分析
梁 柱,李 娜,张新越
(中交公路规划设计院有限公司 北京市 100088)
摘要:2007年两次台风经过深圳湾跨海大桥,对桥址处的风场参数与拉索振动测试数据进行了分析。实测结 果表明:桥址处纵向脉动风功率谱与Simiu谱吻合较好,竖向脉动风功率谱与Panofsky谱基本吻合;台风期间边跨短 索发生厂较明显的风雨振动.而主跨长索由于安装r阻尼器,振动幅值得到有效控制.因此与本桥类似的独塔斜拉桥 短索区也应考虑采取增设阻尼装置或辅助索等减振措施。
(7)
式中:O'u、民、O'w分别为三个方向脉动风速的均 方根。
以10 min为样本时距,台风经过时的湍流强度 计算结果见表1。
裹l 台风期间实测脉动风湍流强度
台风样本时间
f。
L
,∞
水平平均风速/(m/s)
瞬时最大风速/(m/s)
台风“帕布”
0.098 479
0.064 658
0.051 956
7.8
频率f/sz G酚微风时边跨拉索振动功率语
田8边跨拉素风雨振与微风振动功率谱对比
万方数据
一150一
2009年第7期
由图7、图8可以看出,台风期间边跨短索发生 了较明显的风雨振动,振动幅值为微风时的近100 倍,功率谱幅值为微风时的105倍;台风期间边跨拉 索振动体现为单模态振动,且为高频振动,微风时振 动主模态主要集中在低频区间。通过人员上前观
在风洞实验外,在现场也进行了相关的测试研究,得 到一些经验性的规律,但理论模型并不完善。我们 在主跨及边跨的代表性拉索上安装了加速度传感 器,采样频率为50 Hz,安装位置距离地面5 m左 右,在台风“圣帕”影响期间,对拉索的风雨振动进行 了连续观测。
边跨短索在台风期间及微风情况下的拉索振动 加速度时程及功率谱对比见图7、图8所示.
万方数据
2009年第7期
梁柱等:深圳湾大桥实测风场参数与风致拉索振动响应分析
一147一
图2三向超声风速仪 深圳地处我国南部沿海地区,夏季多受热带气 旋(台风)的影响或袭击。2007年8月,有4个热带 气旋活动,其中第7号热带风暴“帕布”及第9号热 带风暴“圣帕”对深圳的影响较大。“帕布”对深圳影 响最为明显的时间出现在10日夜间到11日早晨; 。圣帕”影响最为明显的时间出现在17日早问及18 日晚上19时到20时。
ln‘彖’
流摩阻系数,五=O.4,本桥Zo一0.01。 本桥风速仪的安装位置离水面高度为26 nl,绘
制台风期间实测的水平向及垂直向脉动风功率谱见
图5、图6所示,其中频率n为横坐标,纵坐标为S (z,恕),均为对数坐标。
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频率一 (1)台风“帕布”
频率疗 (2)台风“圣帕”
75 m,钢箱梁顶板宽38.6 m,底板宽28.75 m,梁高 4.126 9 m。索塔倾斜,塔顶高程为142.053 rn,桥型 布置见图1所示。在大桥主跨跨中两侧、次边跨跨 中两侧各布置一台三向超声风速仪。为减小风经过 桥体产生的涡流效应对测试产生的影响,每台风速 仪均配备可伸缩或旋转式桁架,将风速仪悬出结构 5 m以上,见图2所示。
0 100 200 300 400 500 600
时间/5 (1)纵向脉动风速Ⅳ
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时间/S (3)竖向脉动风速w
圈4三向脉动风速时程
万方数据
公路
2009年第7期
2.2实测湍流强度 湍流强度反映了风的脉动强度,三个方向的湍
流强度可用下式来表示:
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2009年第7期
粱柱等:深圳湾大桥实测风场参数与风致拉索振动响应分析
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“圣帕”经过深圳湾大桥时,测得的水平向瞬间 最大风速达21.3 m/s,lO min水平平均风速为 13.8 m/s,纵向脉动风速最大为9.7 m/s。,横向脉 动风速绝对值最大为12.6 m/s。三向风速时程见
圈5纵向脉动风功率谱
由图5、图6可以看出,台风期间,桥址处纵向 脉动风功率谱与Simiu谱吻合较好,台风“帕布”产 生的竖向脉动风功率谱与Panofsky谱十分吻合,而
台风“圣帕”产生的竖向脉动风功率谱则与Panof— sky谱在低频部分有一定偏差,表明脉动风在垂直 方向上的湍流动能分布在低频区间较大。
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圈10主跨最长索风雨振与微风振动功率漕对比
由图9、图10可以看出,安装阻尼器的长索在 台风期间的振动幅值有一定增大,但增幅不大(小于 10倍),可见阻尼器起到了较好的能量耗散作用。
4 结论 (1)深圳湾大桥在2007年8月台风期间的风场
[2]陈宝春·黄玲.吴庆雄.波形钢腹板部分斜拉桥[J].世 界桥梁,2004·(4)·
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[1]陈宝春!彭桂瀚·部分斜拉桥发展综述[J]·华东公路,
[5] 彭设桂,20瀚02,’兰三涛.陈宝…春.“部…分斜…拉’桥景…观。设计…[J。].
参数实测结果表明,风力大且持续时间短的台风,风 速脉动性及湍流强度均大于一般台风,这与文献[1] 中观测的湍流强度规律基本一致。
(2)台风期间,桥址处纵向脉动风功率谱与 Simiu谱吻合较好,竖向脉动风功率谱与Panofsky 谱基本吻合,但台风“圣帕”产生的竖向脉动风功率 谱则与Panofsky谱在低频部分有一定偏差,表明脉 动风在垂直方向上的湍流动能分布在低频区间较大。
(3)台风期间边跨短索发生了较明显的风雨振 动,最大振动加速度幅值达到1.3 g,因此针对与本 桥类似的独塔斜拉桥短索区,也可考虑采取增设阻
尼装置或辅助索等的减振措施。
参考文献: [1]庞加斌.宋丽莉,林志兴。等.风的湍流特性两种分析
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圈9主跨最长索风雨振与微风振动时程对比
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由表1可以看出,台风“圣帕”风力大,且持续时 间短。风速脉动性强,湍流强度明显大于台风“帕 布”,这也与文献[1]中观测的湍流强度规律一致。 2.3湍流功率谱
绝大多数风谱拟合形式依据Kolmogrove理 论,如水平脉动风谱中的yon Karman谱、Daven- port谱、Simiu谱;其中von Karman谱与湍流积分 尺度有关,Davenport谱与高度无关,Simiu谱与高 度有关,目前抗风设计及风洞试验多采用Simiu谱 进行模拟。其表达形式为:
1项目背景介绍 深港西部通道深圳湾公路大桥是一座连接深圳
与香港的跨海大桥,其中主桥为独塔单索面钢箱梁 斜拉桥.塔梁固结体系,桥跨布置为180 m+90 m+
单位:cm 圈l深圳湾大桥
连续感,而横截面方向主边孔悬臂不同则通过桥墩 上的挡板给予掩饰。力求整体结构给人稳定、均衡、 轻盈、向上挺拔的感觉,成为仙游县城的门户和标志 性的建筑物。
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式中:‰、越,、“。为基本时距(一般取10 min) 内样本三个方向风速平均值。
纵向脉动风速“(£)、横向脉动风速口(£)和竖 向脉动风速硼(t)可根据以下公式计算:
比(f)=缸:(£)C08口+U,(£)sin口一U
10.8
台风“圣帕”8月17日5时
0.134 2
0.093 139
O.057 651
7.4
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台风“圣帕”8月17日6时 台风“圣帕”8月18日20时
O.137 341 0.264 16l
O.134 551 0.367 779
0.074 166 0.157 431
8.4 13.8
12.5 21-3
频率刀 (2)台风“圣帕”
圈6竖向脉动风功宰谱
3风致斜拉索振动响应 斜拉索的振动主要有涡激共振、风雨激振、参数
振动和线性内部共振几种形式,拉索的过度振动· 方面可能造成拉索及锚头的疲劳破坏,另一方面也 会对行人的心理产生不利影响。目前拉索的减振措 施通常采用改变拉索表面形态、设置辅助索或阻尼 器等方式。本桥拉索表面设螺旋线,主跨拉索区安 装了黏性阻尼器,边跨拉索未布设阻尼装置。关于 拉索风雨振的研究较早见于日本,近年来我国除了
nS(z,竹)一 200f
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垂直脉动风谱多采用Panofsky谱,其表达形
式为:
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(1+4厂)2
式中:S(n)为水平向及竖向风功率谱密度函
数;咒为风的脉动频率;,2而nz 为相似律坐标,U
(z)表示2高度处的平均风速;“.:坚堕弩堡,为气
圈7边跨拉素风雨振与徽风摄动时程对比
7.000
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2风场参数测试 随机变化的风,通常分为平均风(定常流)和脉
动风(湍流或紊流)两部分,研究风的湍流特性主要 有“矢量分解法”和“风速风向法”两种方法,结构风
工程中通常采用“矢量分解法”。 2.1风速与风向
三向超声风速仪采样频率为10 Hz,输出时间 序列设为纵向水平分量U,(£)、横向水平分量口,(£) 和垂直分量‰(f),则水平平均风速【,、风向角口和 风攻角为:
关键词:斜拉桥;湍流;实测;斜拉索I振动
抗风问题是大跨径桥梁设计重点考虑的因素, 在设计阶段,一般采用风洞模型试验及数值风洞进 行模拟,尽管现有的抗风理论能够为桥梁的抗风安 全提供可靠的依据,但关于风振机理的研究仍然是 各国学者研究的焦点。近10年来,由于大跨径桥梁 结构健康监测系统的兴起,为我们获得大桥真实的 风场环境及振动响应提供了便利的条件,系统测试 得到的数据可以为抗风研究积累丰富的资料。因此, 本文以深圳湾跨海大桥结构健康监测系统为基础,对 2007年台风过境时的测试数据进行了分析,可为今 后该地区或该类型桥梁的抗风设计提供参考。
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(2)横向水平分量脚
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公路2009年7月 第7期 文章编号:0451—071 2(2009)07—0146—05
中图分类号:U441.3
HIGHWAY Jul.2009 No.7 文献标识码:B
深圳湾大桥实测风场参数与 风致拉索振动响应分析
梁 柱,李 娜,张新越
(中交公路规划设计院有限公司 北京市 100088)
摘要:2007年两次台风经过深圳湾跨海大桥,对桥址处的风场参数与拉索振动测试数据进行了分析。实测结 果表明:桥址处纵向脉动风功率谱与Simiu谱吻合较好,竖向脉动风功率谱与Panofsky谱基本吻合;台风期间边跨短 索发生厂较明显的风雨振动.而主跨长索由于安装r阻尼器,振动幅值得到有效控制.因此与本桥类似的独塔斜拉桥 短索区也应考虑采取增设阻尼装置或辅助索等减振措施。
(7)
式中:O'u、民、O'w分别为三个方向脉动风速的均 方根。
以10 min为样本时距,台风经过时的湍流强度 计算结果见表1。
裹l 台风期间实测脉动风湍流强度
台风样本时间
f。
L
,∞
水平平均风速/(m/s)
瞬时最大风速/(m/s)
台风“帕布”
0.098 479
0.064 658
0.051 956
7.8
频率f/sz G酚微风时边跨拉索振动功率语
田8边跨拉素风雨振与微风振动功率谱对比
万方数据
一150一
2009年第7期
由图7、图8可以看出,台风期间边跨短索发生 了较明显的风雨振动,振动幅值为微风时的近100 倍,功率谱幅值为微风时的105倍;台风期间边跨拉 索振动体现为单模态振动,且为高频振动,微风时振 动主模态主要集中在低频区间。通过人员上前观
在风洞实验外,在现场也进行了相关的测试研究,得 到一些经验性的规律,但理论模型并不完善。我们 在主跨及边跨的代表性拉索上安装了加速度传感 器,采样频率为50 Hz,安装位置距离地面5 m左 右,在台风“圣帕”影响期间,对拉索的风雨振动进行 了连续观测。
边跨短索在台风期间及微风情况下的拉索振动 加速度时程及功率谱对比见图7、图8所示.