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虎门大桥风致振动,从虎门大桥的晃动

关键词:虎门大桥 来源:神速兔游记 发布时间:2023-02-01 15:58:29

虎门大桥

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2020年5月5日,午后2点左右。连结广东省南沙区与东莞市虎门镇的跨海大桥——“虎门大桥”,在额定风速下,整座桥开始呈蛇形上下振动。交通管束举措。“虎门大桥事件”引发了普遍留意,而这座吊桥的谐振方式与我们的光伏追踪器十分类似。今天小树东就跟大家谈谈追踪器的“风致共振”。

1.竖向弯曲振动和旋转振动

虎门大桥是典型的悬索桥结构

虎门大桥是典型的悬索桥结构,该工法桥梁采用钢丝绳接受张力,可以以低廉的成本长距离使用。不过,悬索桥的缺点是刚性比较弱。

因为悬索桥的刚度比较差,在外力的效果下,例如风绕过桥面形成漩涡时,它的引力很容易使桥变形。桥梁通常有两种比较多见的变形方法。

竖向弯曲变形,主桥竖往上下晃动

旋改变形,主桥单轴变形

虎门大桥竖向bendingvibrationmode

TakomabridgeRotationalvibrationmode

当然,在现实中,垂直弯曲和旋转往往是混合在一起的。跟吊桥相似,追踪器自身也是一种柔性结构,因为主轴自身的刚性差,也会形成“竖弯”和“转弯”两种变形。

追踪器的垂直弯曲振动模式

追踪器的旋转振动模式

并且由于追踪器的垂直弯曲变形频度常常高于旋改变形频度损坏程度高,现实场景中最多见的损坏是旋改变形。

追踪器旋转方式无效

销轴旋转中心追踪器

阻尼比低,容易出现旋转涡旋振动

2.涡振颤振

5月5日风速不大,虎门大桥桥面上下晃动,好在桥自身没有受损。估计评鉴过后过几天又可以打开了。这种在低风速下的有限振幅被叫做“涡振”。

在各大新闻中,小书洞发现还有一座吊桥常常和虎门大桥一起被拍到。1940年7月11日,只建造了四个月的塔科马海峡大桥在轻风中坍塌。这幕正好被途经的好莱坞摄制组拍下,其坍塌的视频广为流传。

塔科马大桥意外发生后,不少人参加分析了坍塌的原因。当中,知名的空气动力学鼻祖冯卡门提出桥梁损坏是“卡门涡街”造成的。因为冯·卡门的名声,长期以来,大家错误地觉得塔科马大桥上的罪犯是“涡激共振”,真正的罪犯直到多年后才浮出水面。

2013年,美国工程院院士、当代气动弹性学创始人Dowell教授(这个名字一看就很靠谱)在文章中提出:

“Somephysics教科书将塔科马大桥的坍塌归咎于涡激共振,这种看法是不正确的,本质上塔科马大桥是因为颤振而坍塌,这与涡激振动完全不同。

AModernCourseinAeroelasticity(Dowell2013)

涡振动:

它是种由涡轮换下降引发的脉动载荷。是限幅振动,在低风速条件下比较常见。卡门涡街是涡振的一种方式。因为涡振常常发生在低风速下,空气形成的能量比较低,只要振动

颤振:

是由于弹性结构在气流中得到能量,造成结构振动不稳定,是发散振动,多见于大风速情况下,伴随风速的增加,涡旋的频度会忽然偏离结构的频度,造成负空气阻尼,振动幅度结构的尺寸会越来越大,最后造成损坏。

追踪器的涡流状态

追踪器进颤振后被风损坏

分析追踪器的气动稳定性,须要确保跟踪器处于小风速大风速下涡旋振动平稳在一定振幅范围内,狂风速下无颤振。可以用八个字来概括:

“小风不坏,狂风不倒”

3.怎样设计风稳追踪器

基本上全部的追踪器厂商都会检查结构强度,以保证部件在承受风荷载时材料维持在弹性变形阶段。然而,许多结构工程师常常低估了追踪器的“稳定性”计算,追踪器的损坏有一半以上不是因为载荷过大造成的材料损坏。不是因为物质上的顺从,而是因为不稳定。

针对追踪器的风致稳定性剖析,行业内唯一且最有用的办法是进行合理合规的风洞试验。计算结构的固有频度,通过试验得到阻尼比系数,之后选取动态风洞试验得到的动态膨胀系数-DAF进行严刻验证。

追踪器旋转模式的DAF值

另外,也能找有限元软件进行数值流体动力学仿真,定性的得到跟踪器在不同风速和不同角度状态。

使用OpenFOAM

分析tracker的流固耦合

一些厂商会选择更高级的测验来进行full-scale的full-scale模子,进行气动弹性风洞试验,以得到更具体的颤振临界风速和阵风防护方案。

大气边界层气动弹性风洞试验

这一部分可以参照小树洞以前的文章《追踪器风载设计原理研究》,传送门在本文底部。

4.怎样提升追踪器的风致稳定性

缩减追踪器的动风荷载损坏,主要从三个方面着手:

增多追踪器刚度,提升跟踪器的频度跟踪器,增多追踪器的阻尼比,降低动风载荷,增加强风保护角,转变气动外观

频度是追踪器的一个重要特征。追踪器主要有三种模式,相对的是三种频度。三个频度的大小与结构自身的尺寸特性有着巨大的关系。因为篇幅有限,小树东会找机会跟大家聊一聊在设计的时候如何有效的提升这三个频度。

阻尼比是标准系统在外力作用下恢复平稳状态的能力。阻尼比越大,追踪器回到平稳状态的速度越快,因此变相缩减了动态风。负载的大小。悬索桥的阻尼比通常为0.3~0.5%,而追踪器的阻尼比较高,不加阻尼器时约为5~10%。加装阻尼器后,阻尼比可提升2~3倍。

防风的角度是现在议论最多的问题。现在不断增多的测验和现场经验表示,当防风在0度时,追踪器更容易进颤振状态。这种情况与塔楼不同。科马大桥相似,就是临界风速比较低。所以现在世界前五的tracker厂商都放弃了0度防风方案(是的,包含S标的厂商),而是选择大角度来抵御高风速,进而提升颤振的临界风速。

5.归纳

媒体对虎门大桥的留意,提升了全社会对风致共振的认识。小树洞也希望有不断增多的朋友了解气动稳定性设计在光伏追踪器设计中的重要。小树东不是专门做桥梁风工程的工程师,而是根据航空航天的知识,来解释一下虎门大桥,不当之处还望指正。