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虎门大桥风震,虎门大桥异常振动原因何在

关键词:虎门大桥 来源:神速兔游记 发布时间:2023-02-01 15:56:18

虎门大桥

这让很多人想起曾发生过的几起大型桥梁塌陷意外,担忧的不仅仅是它的命运。

什么是吊桥,为什么对风敏锐?桥梁史上风灾给人类带来哪些启迪?漩涡是怎么形成的?虎门大桥的命运该不该担心?要答复这系列的问题,还需要提到悬索桥的特性。

软而不软的悬索桥

虎门大桥是横越珠江的大型悬索桥,主跨888米,世界排名第50-55位范围内的桥梁尺寸排名。

我们一般用主跨的长度(桥塔间隔)来确定小型桥梁的尺寸。主跨的长度直接关系到桥梁设计和施工的难度。大型桥梁比较多见的结构方式是悬索桥和斜拉桥。但是,如果根据主跨的长度来展示,世界前50大长桥中只有5座是斜拉桥,别的都是悬索桥。

悬索桥的优势十分明显:到目前,悬索桥是世界上承载能力最大的桥法,工程造价相对经济;桥面下可有很高的通行空间;桥中部不需建临时桥墩,底部设暂时桥墩;拥有一定的变形适应性,适用于地质布局复杂的地区。所以,在两岸以外的施工环境中,悬索桥是一种十分经济合理的选择。

但是,悬索桥也存在以下缺点:首先,悬索桥拥有低刚度、高柔度、低阻尼等特征。这绝不是桥梁自身的质量问题,而是摇晃起伏的桥梁对行车安全有一定的影响。出于相同的原因,悬索桥也不适合作为重型铁路桥梁。此外,悬索桥的荷载汇聚在两座塔上,对塔所在地面的土质要求很高,软土上的塔基将十分巨大且造价贵。

史上曾发生过两起知名的桥梁意外,让人们了解到桥梁的“风敏性”。

(一)泰桥意外——风静荷载翻桥

1878年,一个跨海铁路桥在苏格兰泰湾拔地而起。这座全长3.5公里的大桥被取名为泰国大桥,选取桁架结构。它是那时世界上最长的桥梁。但是,这座曾让英国人引以为豪的大桥,寿命却不足两年。1979年12月28日,泰桥在暴风雨中倒塌。那时风速到达每秒30多米,过桥的列车连同桥面桁架坠入海中。该事件导致75人不幸遇难。

负责建造这座桥的人是那时英国知名的桥梁工程师托马斯·鲍什爵士。事后调查发现,他曾经对55米长的桁架梁进行过风荷载评价,论断是不用担心风的影响。后来更改设计计划,将主梁长度调整为75米。但是,他没有及时进行风荷载评价。相反,他自信地觉得风力不会影响现在的设计。

意外发生后,调查委员会得出一连串论断,至少有一个主要原因是风荷载的刹那不稳定。这起意外不仅玷污了鲍什爵士作为一个勤劳的人的声誉,而且还让他失去了那时正好在火车里的女婿。

(2)塔科马大桥意外——人类对风动荷载的首次认识一直是桥梁建设过程中的基础工程之一。然而此时的人类还没有意识到,这也是风的力量,更弱的风在特殊条件下也可能导致桥梁面临特大灾难。

几十年过去了,1940年3月9日,位于美国华盛顿州西北部海湾的塔科马大桥建成通车。塔科马大桥是一座与虎门大桥同类型的悬索桥。主跨全长达853米,但桥身还设有双向双向车道和人行道,加宽仅11.9米。

在大桥建造过程中和通车后,很多建设者和路人都注意到大桥的震动非常大,以至于很多人开车过来就是为了感受震动在桥面上有一种感觉。在接下来的几个月里,政府想了很多办法来处理这个问题,但各种对策都没有明显的效果。

1940年11月7日(建成年份),风速达到每秒19米,桥面震动尤为剧烈。负责该桥风洞模型试验的华盛顿大学Foxon博士及其团队接到报告后迅速赶赴现场,并拍摄了该桥从振动失稳到最终完成的一系列珍贵视频用16mm胶卷崩溃。

从剩下的视频中,工程师们发现,桥梁的振动模式首先在整个桥面呈现正弦波,共5个波峰和4个波谷,周期为36一分钟次。这种震动持续了将近一个小时后,突然变为以桥面中心为对称轴,两侧沿道路中心线转了一圈,每分钟14次为一个周期。回转在短时间内对桥梁的承重构件造成极其严重的破坏,最后,桥梁很快,它从桥面起伏最大的四分之一处折断,坠入海中。

塔科马大桥坠入海中的视频至今还在网上流传。当时人们不明白的是,为什么在荷载远小于设计风速的情况下,桥梁会剧烈振动,失控倒塌?

用今天的眼光来看,如果说泰桥事故是人类对自然缺乏尊重,那么塔科马桥事故则是人类对自然规律缺乏完整认识.

揭开涡振之谜

塔科马大桥事故发生后,华盛顿州长第二天宣布大桥设计合理,将立即展开重建工作.但对此,不少业内人士强烈反对,认为在查明事故原因之前,绝不能贸然重建。其中包括著名的流体动力学家西奥多·冯·卡门(TheodorevonKarman)。

听说他找了一个桥的设计模型,然后放在办公桌上,用扇子吹着。当风机的风力达到一定的“恰好”范围时,模具开始振动,并在风力的作用下逐渐形成强烈的共振。卡门教授立刻意识到,风力作用下的共振可能是桥梁倒塌的关键原因。在组织一个团队在加州理工学院进行实验时,他联系了州长并告诉他,如果他修复这座桥,他会重蹈覆辙。

最后迫于舆论压力,政府成立了事故调查组,卡门教授也在其中。他利用自己在流体力学方面的深厚造诣,向建设者解释了桥梁风振共振的或许机理,并要求建设者提交新的设计方案,必须通过风洞试验才能考虑施工。

重建后,塔科马大桥一直通车至今。新设计解决了共振问题,被当地居民称为“强盖蒂”。而风力与桥梁之间或许发生的共振,已经成为一种生命知识。

那么,这种共振是如何产生的呢?

经过以上两次偶然的“教育”,我们已经知道风力对桥梁的影响主要有两种,一种是所谓的静荷载(静风力),另一种是一是动态负载。

静荷载是针对泰国桥梁意外中的类似情况,主要是桥梁受到风力作用后在桥梁构件上产生的侧向荷载。说是静载荷,实际上风的样子是不断变化的。“静”的含义是指一段时间内作用在一定结构上的平均风荷载。

动荷载针对塔科马大桥意外中的相似情况,主要是风力与桥梁结构共激引起的动荷载。动荷载的详细种类很多,但最主要的还是这次虎门大桥新闻中提到的涡振。

当风以流体的形式通过桥梁构件时,必然从桥梁的两侧流过。在一定条件下,两侧的空气会产生一系列交织的气旋,这就是所谓的“卡门涡街”情况。里面的“街”是指流体漩涡的显示类似于路灯,所以看起来就像是一条街,漩涡就是路灯。

涡流会对其经过的流体施加一个侧向力,这种作用会给桥梁部件带来周期性的力变化。需要注意的是,风本身并不是周期性的,而是风吹过后涡流自然产生的周期效应。当源自涡流的周期性振荡与甲板自身的弯曲振荡在频率上重叠时,会发生强大的共振。这就是所谓的“涡旋振动”。

了解了涡振的原理,我们来回答一下塔科马大桥的例子。之前的桥梁设计团队很好地考虑了静荷载对桥梁的影响。据说它的抗瞬时风速达到每秒60多米。但由于当时认知水平的局限,设计和施工为节约成本而不顾一切,造成了一系列容易产生涡振的桥梁造型或结构。而且,由于对桥梁在风作用下的振动缺乏了解,没有安装有效的减振部件,当地特殊的气候条件最终酿成了灾难。

如何防止涡振?

既然涡振会对桥梁造成如此大的破坏,那么怎样防止涡振的形成呢?

由于涡振的危险性,风洞试验是目前桥梁设计过程中非常重要的一步。可以结合当地的气候条件判断设计方案是否容易引起共鸣。.然而,无论设计多么精巧,都无法完全防止涡振的发生。因此,人们想出了一系列的方法来使涡旋振动的强度尽可能地衰减。

抑制涡振的方法大致可以分为两种方法,一种是空气动力学的方法,一种是结构力学的方法。它们的作用对象依次是涡流和涡流形成的振动。

空气动力学方法的原理很简单。由于某些部位可能会形成涡流,因此可以在这些地方安装导流板、挡板等结构,以有效控制气流的流动方向。由涡流引起的周期性力随后被削弱或消除。

布局力学方法以振动为主要去除对象。振动。该类设备的原理是形成与桥梁振动方向相反的振动,然后基本抵消振动幅度。类似设备在高层建筑抗震等领域也有大量应用实例。

当然,上述布局或设备的有效性首先要通过风洞实验来评估。

世界上最长的悬索桥是日本的明石海峡大桥。其主跨达到1991米,是虎门大桥的两倍多。大桥施工前期,施工方按照1:100的比例制作了一个长约40米的风洞模型。对桥梁结构可能面临的涡振风险和减振措施的有效性进行了具体评价。不过,即便如此,大风大、晃动明显时,桥也会暂时关闭。

中国的虎门大桥遇到大风等恶劣气候肯定会暂时停止通行。

虎门大桥现在情况如何?

这次造成虎门大桥桥面起伏的风其实不大,不会影响桥梁结构的安全,但会影响行车体验和舒适性,极易引发交通安全事故。为此,桥梁管理单位实施应急预案,联合交警分队及时采取双向交通管制措施。

根据现有资料和观测情况,虎门大桥悬索桥结构安全可靠,本次振动不会影响虎门大桥悬索桥。现在,桥面已经基本恢复正常。有关单位正在对该桥进行全面检查,计划尽快通车。

我国现代悬索桥起步较晚。汕头湾大桥于1995年12月建成,拉开了中国建设当代悬索桥的序幕。虎门大桥1992年开工建设,1997年通车。作为标杆工程,当时西南交通大学和同济大学进行的风洞试验结果表明,该桥的梭形风嘴和扁钢梁,具有更好的空气动力学性能。

只是中国《公路桥梁抗风设计标准》经过多次修订,近20年来对桥梁抗风的认识不断加强,所以虎门大桥成为第一安装bridgesofbridges测验系统。