神速兔游记 > 十分旅游 > 虎门大桥结构形式,专家分析虎门大桥涡振原因

虎门大桥结构形式,专家分析虎门大桥涡振原因

关键词:虎门大桥 来源:神速兔游记 发布时间:2023-02-01 19:32:57

虎门大桥

虎门大桥突如其来的漩涡震动已过去一周,但网络舆论的发酵还在继续。这主要是由于:一方面,在铺天盖地的互联网讯息炮轰下,真假难辨,人们对桥梁安全的担心非常难在短期内平息;另一方面,桥梁涡振的机理自身就是一门比较高深的科学。对于这个问题,专家们一致认为,虎门大桥突然震动的内在机制,抗震举措短期内很难做到。

最新讯息,据专家剖析,水马是涡振的原因。虎门大桥结构安全,有关减振举措正在研究实行中。

略早,虎门大桥水马已经拆了。

万物都会振动

在议论虎门大桥涡振动以前,先回忆一下高中物理知识。

共振是种自然情况,涡激共振(简称涡振)是种共振方式。

所有物体都在不断振动。如果振动频度与物体的固有频度耦合,就会发生共振。然后物体汲取能量,这反过来又造成振幅增加。

共振可以谋利人类。

例如,微波炉中形成强烈振荡的电磁场,使食品中的水分子发生振动共振,完成电磁辐射能量向热量的转化,进而加热食品.

当然,共振也是无益的。

在雪山上,高声说话会引发空气震动。当频度与雪层某一部分的振动频度一致时,就或许发生共振,引起雪崩。

共振情况的中心是同频。

比如洗衣机在烘干衣服的时候,洗衣机在开始旋转和快要停止的时候,低速的时候容易出现颤抖,但是高速的时候很稳定,因为洗衣机自身做不经常振动。

谈到这,我们也就不难理解为什么虎门大桥碰到台风“山竹”还好,碰到四级风就瑟瑟发抖。

经测试,5月10日15时21分,一阵风(31.41米/s)横扫虎门大桥桥面,主梁垂直振幅最大只有14.43厘米。

因为想大家更好的了解共振情况,我们从网络上找了一段视频。

在视频里,24个钟摆随机移动。伴随时间的流逝,钟摆突然变的井然有序。全部的声音都是有序的,只是钟摆的方向是相反的。紧接着,这个钟摆以更快的速度摆动,最后和其它钟摆汇合在一起。

好了,高中物理知识温习完成,我们来说说桥梁风工程知识。

桥梁风工程

虎门大桥后,很多人将其与1940年美国塔科马大桥坍塌联络在一起,感慨风振引发以上事件的机理相似。

这种事事往坏处想的焦虑认识值得称道,但也值得警惕,给大众造成没必要的惶恐。

实际上,在塔科马大桥塌陷后,美国创建了一个事故调查委员会,由世界知名空气动力学家冯卡门等3位极品专家构成。这个冯·卡门是众所周知的,他是“中国航天之父”钱学森的导师,也是“卡门涡街理论”的创始人。

在1941年上交给联邦工程局的意外报告中,事故调查委员会曾指出塔科马大桥风害的原因不是涡振,而是气动自激效应。

这次恐怖的风害事件震撼了那时的桥梁工程界,拉开了大跨度桥梁风振与动弹性理论综合研究的序曲,产生了一门新学科——桥梁风工程。

经过几代学者的合作,确定塔科马大桥的风害是由负阻尼驱动的分离流颤振引发的,而不是涡振,两者并不相同作为“卡门涡街”关系,获得了风工程界的普遍认同,并被收录在各种土木匠程专业教材中。

回到桥梁涡振问题,有专家归纳了不同截面涡振的动力机理,提出矩形截面或桥梁截面涡振主要与四种典型涡振有关脱落:顶涡脱落、尾部脱落端涡脱落、织边涡脱落和顶撞涡脱落。

这段太专业了。总而言之,科学研究的认识已经远远超过了对“卡门涡街”气动规避机理的分析,科学家们有了更深入的认识和防范。控制方案。

因为桥梁风工程和空气动力学专业太过专业,一般人接触不到,也看不懂。大家比较关注的是:中国那么多桥,会不会也震动?其后振动是否安全?

涡振不是致命的

桥梁难免地会受到自然风的影响,当代桥梁结构向大跨度、软化、细长化方向发展,势必会造成它对风的敏锐性增多。

对大跨度桥梁(桥面板),风振主要有涡振、颤振和抖振。

对这三种振动,我们可以以婴儿摇篮为例简单说一下。

有规律地推进摇篮的慈父,是漩涡;一个醉酒的父亲在极短的时间里忽然把摇篮推了很多,这就是颤动;一个不满的父亲快速地推着摇篮,慢慢地,摇篮喋喋不休。

在以上风振工况中,对大跨度桥梁危害最大的是颤振和涡振。

《公路桥梁抗风设计标准》(JTG/TD60-01-2018)对大跨度桥梁的颤振和涡振功能有明确规定。因为颤振具有很强的损坏性,会造成结构完全失效,因此桥梁抗风设计的任务就是避免桥梁发生颤振。《公路桥梁抗风设计标准》允许存在小涡振动。

现在,大跨度桥梁在施工前,均通过风洞实验进行复核,确保桥梁在一定的风速再现期内不会发生颤振意外。自塔科马大桥被风吹毁后,再没有发生过大跨度桥梁颤振意外。

但是,涡振在大跨度桥梁中并不常见。下表列出了世界上桥梁主梁截面(桥面)发生的涡振情况。涡振发生在悬索桥、斜拉桥、梁桥和拱桥(拱肋和吊架)中。在中国,涡振功能满足《公路桥梁抗风设计标准》。

当中,悬索桥和斜拉桥因为跨度大,容易产生涡振,造成结构刚度低,对风环境的敏锐性增多。

大跨度的桥梁就像拉面。面条越长(两手等于桥塔或桥墩等支持构件,两手之间的长度为跨度)越容易断面条。也容易形成各种振动。

涡振是大跨度桥梁在低风速下容易发生的一种风致振动。产生一种反应效应,将涡流限定在一定范围内,这样它就不会像颤振那样表现为发散的损坏性振动。大跨度桥梁主梁涡振具有之下特征:

1.发生在低风速下,风速一般小于25m/s,即十二级风下。有一些桥梁甚至可能在二级和三级风中发生。

2.在一定风速范围内发生的振动,即在此范围内风速较小或较大时,旋涡振动消失。

3.通常是限幅振动,即振幅不会忽然加大到很大的振幅,对桥梁造成相当大的损坏。

4.与桥梁所在的风场环境紧密有关。一般来说,在晴天、微风的气候下容易发生,而在风雨大、暴风雨的气候下则不容易发生。

5.振动方式通常为垂直振动或旋转振动,现在观察到的是垂直振动方式。

6.它与主梁(桥面板)的外观紧密有关。外观上的任何细微变化都或许导致桥梁的涡流行为发生变化。例如,虎门大桥暂时设置的挡水板,或许会引起涡振。

7.它与桥梁自身的能耗能力紧密有关。从材料上看,混凝土耗能能力强,而钢材耗能能力弱。因此,大跨度钢桥发生涡振的可能性大于混凝土桥梁。

多种抗风方法

桥梁涡振控制通常有以下三种思维:

1.修正截面的气动表面。一是对护栏、巡检跑道、挡风栏等配套配套设备的外观、位置、形状进行整改。二是有一些气动控制举措,如导流板、阻尼器等。

2.机控制方式。一些辅佐机器方法可以进一层控制结构涡振动,包含:被动调谐质量阻尼器(TMD)、主动质量阻尼器(AMD)甚至一些主动空气动力学控制方法。实质上,桥梁的能耗能力是靠以上方法来提升的。

3.结构性举措。在有些情况下,可以经过转变结构的动力特质来控制结构涡振,如在斜拉桥中增加从属墩、设置抗风支架等,实质上是增加结构的刚度桥,使桥梁在低风速下不容易产生涡振。

现在,前两项措施是大跨度桥梁涡振控制的主要举措。另外,桥梁结构健康检测系统还可以让管理者实时监控桥梁的健康状况。

桥梁结构健康试验的内容主要包括变形试验、应力试验、动力特质试验、温度试验和外观试验。

专业传感器可实时感知桥梁的挠度变形、振动回应、应力变化、裂痕变化、倾角水平和环境影响等,让管理人员及时了解桥梁的安全运转情况。

结束语

中国桥梁建设规模占世界桥梁的一半。全部桥梁在设计时都经过数次风洞模仿实验,基本上考虑了全部或许的风力和桥梁。随着健康检测系统的进步,桥梁出现明显振动的情况已经非常少见。

桥梁风工程是科学,人们对科学的认知是没有尽头的。所以,即使桥梁风工程存在不解之谜,也是正常的科学情况。

最后引用同济大学桥梁工程教授、国际桥梁与结构工程协会主席葛耀军的一段话:

“伴随年代,我们给与了桥梁更多的内涵,例如,我们说桥梁是人和人之间、单位与单位之间、地区与地区之间乃至国家与国家之间和谐共处的纽带。因此,为了完成华夏民族的伟大振兴民族,让我们一起努力,架起更多更好的职业桥梁和人生桥梁!”

审稿人:

赵林,同济大学桥梁工程系副主任

胡传新,博士,同济大学桥梁工程系大学

作者|杨磊栾宇博