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虎门大桥共振原理,释疑解惑虎门大桥到底是怎么振起来的

关键词:虎门大桥 来源:神速兔游记 发布时间:2023-02-01 17:08:09

虎门大桥

今年5月初,广州虎门大桥发生了一场特殊的地震。听说是桥梁涡振。你能从力学的角度给我们更准确的解释吗?

一个宅在家里的大学生

2020年6月25日

5月5日15时32分左右,广东虎门大桥发生了特别颤抖.狂风怒吼中,桥面上泛着微妙的波浪起伏。据专家组判断,此次虎门大桥震动的原因是沿桥跨护栏持续安装的水马转变了钢箱梁的气动外观,在特殊的风力作用下环境条件下,桥梁涡振形成。在下边的动画中,右下方的一排红色物体就是所谓的“水马”。

这样,涡振为什么会引起桥梁的颤动呢?

1.什么是涡振?

涡振的全称是vortex-inducedvibration,意思是当气流绕过钝体结构时,会产生周期性的涡落,形成轮换的涡激力,效果是使其在结构上发生弹性振动。这个涡流下降的频度随风速和结构的样子而变化。当下降频度靠近结构的固有频度时,涡下降与结构振动对齐,发生共振。

为了更好地理解涡振的情况,首先要了解与这方面相关的两个重要的物理观念,一个叫卡门涡街,一个叫共振。

卡门涡街

卡门涡街是指当稳定的来流在一定条件下绕过钝体时,钝体两边会周期性地向相对方向掉落旋转和显示双柱涡流指南。发现这种情况的德国学者叫做冯·卡门。后赴美,成为知名空气动力学家,师从中国火箭之父钱学森。

共振

共振是指物体在特殊频度下以比其它频度更大的振幅振动的情况。这种特殊的频度叫做共振频度。当共振幅度足够大时,结构就会损坏。

因此,虎门大桥由于当日发生的特殊风环境,在大桥主箱梁下游产生了一条卡门涡街,这条涡街的振动频度恰逢自然界有一个频度逼近,形成了漩涡振动的情况。因此,大桥随风摇摆。

2.为什么是水马背壶?

水马是种塑料外壳阻碍物,用于分隔道路或产生拦截。一般为上小下大的结构。顶部有孔注水以增加重量,故名水马。它经常用于日常道路修理。

虎门大桥公司那时正在对虎门大桥高速公路广珠段悬索桥钢箱梁进行检验。许多水马。不过,水马并不威风,怎么会引发如此强烈的震动?

如前所述,结构涡振动是由卡门涡街引起的。空气动力学知识告诉我们,涡街的频度取决于钝体的横截面样子,对钝体外表的突起非常敏锐。当桥上搁置水马时,钢箱梁截面的气动行为发生变化,更容易产生涡街,涡街的下降频度也发生变化,恰巧接近固有频度的桥梁,所以发生共振。

实际上在桥梁施工中,为了减少涡振的发生,人们偶尔会选择桁架结构,这样侧风吹之后,产生的涡振频度不同,不会产生共振。导致出现。要是选择整体箱梁结构,桥梁设计者也会认真考虑横截面样子,包含规划流线型结构,并在设计后、施工前完成桥梁风洞吹吹实验,目标是尽可能防止涡振。

3.桥的颤抖是一个例子吗?

实际上,桥梁在特殊环境下风速下的振动,只要在设计范围内,都是安全正常的。例如,今年4月26日,武汉的鹦鹉洲长江大桥也因环境风扰动发生摇晃。经专业评估单位鉴别,确定这种晃动在设计允许范围内,不会存在安全隐患。

另外,外国也发生过桥梁涡振事件。比如,2010年5月19日晚,俄罗斯莫斯科伏尔加河大桥发生涡振。整个桥身强烈摇晃,波涛翻腾,而且还出现了比较明显的左右晃动。然而,当桥梁中止振动时,专家们对桥梁展开了全盘检验,发现桥梁没有出现裂缝和损坏。又如,日本的东京湾大桥也发生了相似的震动。那时,主桥在16-17m/s的风速下发生垂直涡振,跨中振幅到达50cm。

4.狂风真的能把桥吹倒吗?

众所周知的美国塔科马大桥倒塌事件就是风致桥梁损坏的一个样例。

塔科马海峡大桥是那时世界上第三长的悬索桥。大桥建成后,只要有4英里/小时的“微风”,大桥就会有细微的起伏,这让工程师们百思不得其解。4大桥建成后在当月8级大风的效果下,大桥在风中剧烈扭曲,倾斜度能到45度。紧接着,这座可怜的桥坍塌了,沉进了海峡。

从那时起,土木匠程界已经意识到空气动力效应对桥梁安全的影响,并规定全部大型桥梁都要进行抗共振能力查验。之后重建塔科马海峡大桥,将道床厚度增加到10米,并且在路面增加气孔,让空气通过路面,避免形成卡门涡街。今天,它是美国第五长的吊桥。

但这应该提到,塔科马大桥坍塌的原因是颤振。颤振是风速较大时发生的发散自激振动,对桥梁安全构成极大威胁。塔科马大桥事件发生后,世界各地的桥梁工程师在设计时都留神不要颤动。如何才能做到这一点?原来,学者们已经明确桥梁颤振有个临界风速,当风速小于这个临界值时,就不会发生损坏性颤振。虎门大桥颤振临界风速79m/s,等于18级阵风。明显,现实生活中不会出现这么大的风速。

最后需要说明的是,虽然虎门大桥遭遇的涡振不会像颤振那样对桥梁造成灾难性的损坏,但频繁且持续的振动大概会导致有关结构出现松弛。因此,防止涡振也是桥梁抗风设计的重点之一。