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虎门大桥卡门涡街,虎门大桥异常振动疑云

关键词:虎门大桥 来源:神速兔游记 发布时间:2023-02-01 19:51:27

虎门大桥

5月5日晚,承载着东莞虎门人很深情怀的虎门大桥始建于1997年,历经20年雨雪风霜,历经每年春节客流高峰拥堵,它依然是我们真诚的伙伴,安全可靠地连接东莞虎门。广州市和南沙区。然而,这种奇怪的振动不由自主地让人吃了一惊:难道虎门大桥一直都不安全吗?我们还能在桥上安全行驶吗?

用科学的眼光看世界,今天的故事还得从1940年说起。

1940年,华盛顿州的塔科马海峡大桥发生了类似这起事件的奇怪震动,美国。在7级风的吹袭下,虽然仍低于设计最大风速,但桥梁摇晃的幅度越来越大,持续了90分钟,最终坍塌断开。幸运的是,没有人员伤亡。塔科马海峡大桥是当时世界第三大悬索桥,投资600万美元(1940年价值)。设计精巧,仅用了5个月就建成了。事后发现,施工中没有偷工减料等问题,但桥却突然坍塌。这是桥梁设计者从未见过和听说过的情况,必须用科学原理来解释。

学者们首先想到的首要嫌疑人:风。

为了寻找风与振动的关系,学者们缩小了桥梁的比例,开展了“风洞试验”。风洞试验更常用于飞行器试验,验证升力等飞行参数。这一次,学者们将风口对准了1/50尺寸的桥梁模型。在合适的风速下,模型还表现出多种形式的振动:时而上下振动,时而像摇篮一样摇摆不定,时而一座桥出现多处弯道。在风洞试验中,桥梁非常接近但没有倒塌。

此时,学者们心中已经有了结论。

在塔科马海峡大桥坍塌后的第二天,华盛顿州州长宣布大桥的设计并无不当之处,将按原样重建。美国空气动力学家西奥多·冯·卡门写信给州长说重建不当,“如果照原样重建,可能会照原样倒塌”。冯·卡门的大胆断言源于以他的名字命名的空气动力学情况:“卡门涡街”。

“Kármánvortexstreet”,卡门漩涡街,“卡门”取自发现者西奥多·冯·卡门,“漩涡街”指的是两个不对称交织的漩涡,它随空气盛行成一个形状路灯。

下面的动画是典型的圆柱体后方的卡门涡街。

能否形成涡街的主要参数之一是雷诺数Re:Re=aVd/b;其中a是流体的密度,V是流速,d是障碍物的特征尺度,b是流体的粘度。该参数是相对于流体流过

后的状态,即在Re40周围会形成一条不对称的卡门涡街(圆柱截面)。这种下落频率和风速满足与Stohall数Sr相关的类似原理:Sr=fl/V;其中f是跌倒频率,l是圆柱体的特性尺寸,V是流速。一般Sr与雷诺数Re有关,在0.2左右:

但是,虽然山体和桥墩的涡流效应对桥墩的作用力会对桥,一般很难在其上形成上下起伏的振动。除了大桥上游的小岛高度与大桥高度相反,进而分离近地大气边界层造成气流向下扫掠和抬升:

回到虎门大桥,我们从媒体了解到,上图看到的桥面振动是沿路面的起伏脉动,并没有类似塔科马大桥那样的强烈的左右转弯。

一开始,专家们初步判断,桥面水马破坏了桥面流线型,造成涡振。迎风面有一个后台阶,风可以穿过护栏/绳子(相似机翼的流线型),但是当8m/s的气流碰到1.5m高的水马时,会形成后面DownVortexStreet的横截面。增加截面的特征尺度l使下降频率f向低频移动(f~0.2*8/(dl))。但现在才明白,拆掉挡水板后,桥面还是有起伏和震动。是什么原因?

想前20年大桥基本正常,会不会出现新情况与大桥某些参数的变化有关?如果抛开外界气流,回到桥梁本身来考虑振动问题,桥梁振动与哪些因素有关?清一下虎门大桥的基本数据(张冠勇,朱乐东1999,同济大学学报):

大桥基本频率估计为f≈110/L;其中L为桥梁的跨度,f约为0.12Hz,测得的频率如下(张冠勇,朱乐东1999,同济大学学报):减振弹性材料的降解和降解改变了悬索桥的振动特性?

希望知道的人可以给个答案。