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专家分析虎门大桥涡振原因:水马是诱因

更新时间:2020-07-08 03:38点击:

  虎门大桥突发涡振已经过去一周了,但互联网上的舆情发酵仍在继续。这主要是因为:一方面,在铺天盖地的真真假假的网络信息轰炸下,人们对桥梁安全的担忧情绪很难在短时间内平复下来;另一方面,桥梁涡振机理本身是一个比较深奥的科学问题,专家们就虎门大桥突发振动的内在机制及抑振措施很难在短时间内达成一致意见。

  最新消息是,据专家分析,水马是涡振诱因,虎门大桥结构安全,相关抑振措施正在研究实施中。

  一切物体都在不停地振动,一旦振动频率与某一物体固有频率相耦合,就会发生共振。该物体就会吸收能量,进而导致振幅增大。

  比如,微波炉内产生很强的振荡电磁场,使食物中的水分子作受迫振动发生共振,实现将电磁辐射能转化为热能,从而加热食物。

  在雪山上,大声说话会引起空气振动,当频率与雪层某部分振动频率一致时,就可能发生共振现象造成雪崩。

  举个例子,洗衣机甩干衣服时,在开始转动和即将停下来的低速状态下,洗衣机容易抖动,在高速运转状态下反而很平稳,就是因为洗衣机本身抖动频率很低。

  说到这里,我们就不难理解虎门大桥遇到台风“山竹”没事、遇到4级风抖动的原因了。

  据监测,5月10日15时21分,虎门大桥桥面瞬时阵风(31.41米/秒)掠过,主梁最大竖向振幅仅14.43厘米。

  视频中,24个钟摆被随意拨动,随着时间的推移,钟摆忽然变得有序起来,所有声音整齐划一,但是有一只钟摆方向反着。随后,这只钟摆加快摆动,最终与其他钟摆趋同。

  虎门大桥突发涡振后,不少人将它与1940年美国塔科马大桥倒塌事件联系起来,认为相似的风致振动机理促发了上述事件。

  这种凡事往最坏结果想的忧患意识是值得表扬的,但由此引发公众不必要的恐慌也是值得警惕的。

  事实上,塔科马大桥坍塌后,美国成立了包括世界著名空气动力学家冯卡门在内的3位顶级专家组成的事故调查委员会。这个冯卡门大名鼎鼎,是“中国航天之父”钱学森的导师,“卡门涡街理论”提出者。

  事故调查委员会在1941年提交给联邦工程局的事故报告中,已经暗示了塔科马大桥风毁原因并非涡振,而是由气动力自激效应引起。

  这一可怕的风毁事件震惊了当时的桥梁工程界,并开启了全面研究大跨度桥梁风致振动和气动弹性理论的序幕,形成了一个新学科——桥梁风工程。

  经过几代科学家的共同努力,确认了塔科马大桥的风毁是由负阻尼驱动的分离流扭转颤振引起,并非涡振,更与“卡门涡街”无关,并得到了风工程界广泛认可,已经写入各类土木工程专业教材。

  回到桥梁涡振问题本身,有专家总结了不同断面涡振发生机制,指出类矩形断面或桥梁断面涡振主要与四种典型涡脱有关:顶端涡脱、尾端涡脱、交错边缘涡脱以及顶端撞击涡脱。

  这段太专业了,简单地说,目前科学研究的认识已经远超“卡门涡街”对于气动绕流机理性的解读,科学工作者已经有了更多的深入理解和防控预案。

  由于桥梁风工程、空气动力学过于专业,普通人几乎接触不到,也理解不了。大家更关心的是:中国有那么多大桥,它们也会振动吗?振动之后还安全吗?

  桥梁不可避免地会受到自然风的作用,而现代桥梁结构正向着跨度更大、更柔、更纤细的方向发展,这必然导致其对风的敏感性增加。

  一位慈祥的父亲有规律地推动摇篮是涡振;一位喝醉酒的父亲在很短时间内突然大幅度推动摇篮是颤振;一位生气的父亲忽快忽慢推动摇篮是抖振。

  《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01-2018)对大跨度桥梁颤振和涡振性能作出了明确规定。由于颤振极具破坏性,可以导致结构彻底破坏,桥梁抗风设计的任务是杜绝桥梁发生颤振。《公路桥梁抗风设计规范》允许小幅度涡振存在。

  目前,大跨度桥梁在建造之前,均经过了风洞试验的检验,保证大桥在一定风速重现期内不会出现颤振事故。自塔科马大桥风毁以来,至今未发生过大跨度桥梁颤振事故。

  然而,涡振现象在大跨度桥梁中并不少见。下表列出了国内外桥梁主梁断面(桥面)发生的涡振现象。悬索桥、斜拉桥、梁桥和拱桥(拱肋和吊杆)均会发生涡振现象。在我国,涡振性能则满足《公路桥梁抗风设计规范》。

  其中,悬索桥和斜拉桥由于跨径大,导致结构刚度小,对风环境的敏感性增加,极易发生涡振现象。

  大跨度桥梁好比拉面条,面条越长(两只手相当于桥塔或桥墩等支撑构件,两手之间长度即为跨径),面条越易断裂,在风的作用下,也容易产生各类振动。

  涡振是大跨度桥梁在低风速下很容易发生的一种风致振动现象,是由结构表面交替脱落的旋涡引起的振动,但振动的结构反过来会对旋涡的脱落形成某种反馈作用,使得涡振受到限制,因而涡振不会像颤振一样表现为发散性破坏振动。大跨度桥梁主梁涡振主要有以下特点:

  1.在低风速下发生,发生风速一般小于25米/秒,即十二级风以下。有些桥梁甚至在二三级风时也会发生。

  2.发生在某一风速区间的振动,即风速小于此区间或者大于此区间时,涡振现象消失。

  4.与桥位处风场环境密切相关。一般来讲,风和日丽天气下的缓风下易发生,风雨交加的狂暴天气反而不易发生。

  6.与主梁(桥面)外形密切相关。任何微小的外形改变可能会引起桥梁涡振性能的改变。比如,虎门大桥临时设置的水马就有可能引发涡振现象。

  7.与大桥本身耗能能力密切相关(专业上称为阻尼比)。从材料上来讲,混凝土耗能能力强,钢耗能能力弱。故大跨度钢桥发生涡振的可能性远大于混凝土桥梁。

  1.断面气动外形修正。一是对护栏、检修轨道、风障等自带附属设施外形、位置、样式进行修正。二是附加某些气动控制措施,如导流板、抑流板。

  2.机械控制手段。某些辅助机械手段可进一步对结构涡振进行控制,包括:被动式调谐质量阻尼器(TMD)、主动质量阻尼器(AMD)甚至某些主动气动控制手段等。本质上是通过借助上述手段提高大桥耗能能力。

  3.结构措施。某些情况下可通过改变结构动力特性对结构涡振进行控制,如增设斜拉桥附属墩、设置抗风支座等。本质上是提高大桥刚度,使大桥在低风速下不易发生涡振。

  目前,大跨桥梁涡振控制以前面两种措施为主。此外,桥梁结构健康监测系统,也能让管理者实时掌握桥梁的健康情况。

  桥梁结构健康监测的内容主要有变形监测、应力监测、动力特性监测、温度监测、表观监测。

  专业传感器可对桥梁的挠度变形、震动响应、应力变化、裂缝变化、倾斜程度以及环境影响等数据进行实时感知,让管理者随时了解桥梁的安全运行状况。

  我国桥梁建设规模占世界桥梁的半壁江山,所有桥梁在设计时都经受过多次风洞模拟试验,考虑到几乎所有的可能风力,再加上桥梁健康监测系统的进步,桥梁出现明显振动现象只是极少数。

  桥梁风工程是科学,而人们对科学的认知没有止境。因此,即便桥梁风工程存在未解之谜,也属于正常的科学现象。

  最后,借用同济大学桥梁工程系教授、国际桥梁与结构工程协会主席葛耀君老师的一席话收尾:

  “随着时代的发展,我们赋予了桥梁更多的含义,比如我们说桥梁是沟通人与人之间、机构与机构之间、地区与地区之间,甚至于国家与国家之间的友好交往的纽带。所以为了实现中华民族的伟大复兴,让我们一起来共同建设更多更美好的专业桥梁和生活上的桥梁!”


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