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虎门大桥为什么那么“浪”?

本文作者:肖漫 2020-05-06 19:16
导语:虎门大桥,换个姿势上热搜。

每逢节假日,虎门大桥必上热搜。不同于此前的“堵”上热搜,昨天的虎门大桥以“奇”被热议。

2020 年 5 月 5 日 14 时左右,虎门大桥出现了异常振动,桥面以“波浪状”上下晃动。大桥管理部门随即启动应急预案,联合交警部门采取了双向交通管制措施。

虎门大桥为什么那么“浪”? 

从 GIF 来看,可谓是桥上的人担惊受怕,桥外的人连声叹 wow。

有网友调侃虎门大桥喝醉了;或是说天太热了,大口喘气中;有的还开玩笑称“明天就要开始收费了,桥激动了”。

值得注意的是,4 月 26 日,武汉鹦鹉洲长江大桥桥体也出现了波浪状晃动。与虎门大桥一样,鹦鹉洲长江大桥亦是悬索桥。如此巧合下,桥梁波动,是悬索桥的锅吗?桥梁晃动的背后成因是什么?

是悬索桥的锅吗?

虎门大桥为什么那么“浪”?

雷锋网(公众号:雷锋网)注:图源澎湃新闻

虎门大桥建于 1992 年,投资近 30 亿,全长 4588 米,是连通广州市南沙区与东莞市虎门镇的一座跨海大桥,同时也是我国第一座真正意义上的大规模现代化悬索桥。

资料显示,悬索桥(Suspension Bridge)是指以通过索塔悬挂并锚固于两岸(或桥两端)的缆索(或钢链)作为上部结构主要承重构件的桥梁,主要由悬索、索塔、锚碇、吊杆、桥面系等部分组成。

相对于其他桥梁,悬索桥可以使用较少的物质建造,且能够跨越较长的距离,较为灵活。在水面上,悬索桥可以造得比较高,容许船在下面通过,且在造桥时无需在桥中心建立暂时的桥墩。

不过,作为一种大跨径柔性结构,悬索桥对风的作用十分敏感,抗风稳定性是影响悬索桥设计和施工的关键。其中,桥梁宽跨比,风的特性等都是影响抗风性的重要因素。

中铁四局集团市政工程有限公司总工程师周江接受《科技日报》的采访时表示,悬索桥是一种高超静定结构,影响抗风振能力的因素有很多。抗风设计规范的现代悬索桥,只要风力不超过设计允许范围,其结构安全性是不用担心的。

在虎门大桥产生波动之后,国内多名桥梁专家对桥梁进行了研判。5 月 6 日凌晨,广东省交通集团通报称:

专家组初判,虎门大桥悬索桥振动主要原因是沿桥跨边护栏连续设置水马,改变了钢箱梁的气动外形,在特定风环境条件下产生桥梁涡振现象。

另外,广东省交通集团还表示,根据现有数据和观测到的现象分析,此次振动不会影响大桥后续使用的结构安全和耐久性。

也就是说,虎门大桥的晃动只是偶发事件,不会影响后期使用。

虎门大桥为什么那么“浪”?

水马长这样

桥梁设计、桥梁风工程研究专家葛耀君解释道,由于虎门大桥在修吊杆和主缆,为了防止车撞,会在桥的两边放置了临时的挡墙,俗称“水马”,由此改变了桥梁结构的外形。多数情况下,桥的结构是非常流线型的,加了水马之后会变钝,由此容易引起涡振现象。

桥梁涡振是怎么回事?

涡振,又称涡激振动(Vortex-Induced Vibration,VIV),是桥梁结构的一种风致振动形式。

资料显示,桥梁涡振是一种兼有自激振动和强迫振动特性的有限振幅振动,它在一个相当大的风速范围内,可保持涡激频率不变,产生一种“锁定”(lock-on)现象。

值得注意的是,引起桥梁涡振不在于风力多大,而是一种共振效应;这也就解释了 5 日在风速不大的情况下,虎门大桥却产生大幅振动的原因。

中央纪委国家监委网站报道,涡激共振主要具有五方面的特征:

  1. 一种在较低风速下发生的有限振幅振动;

  2. 只在某一风速区间内发生;

  3. 最大振幅对阻尼有很大的依赖性;

  4. 涡激响应对截面形状的微小变化很敏感;

  5. 涡激振动可以激起弯曲振动,也可以激起扭转振动。

同时,报道还指出,涡激振动和气流之间会相互制衡,涡振振幅不会无限增大,因此很少会造成结构的彻底损坏。

虽然桥体不会受到损坏,但对于出行,上下摆动的桥体容易让人产生晕眩感,存在着较大安全隐患。另外,如果振动发生的频率高,可能会导致桥上杆件出现裂纹或疲劳破坏。

在处理涡激振动问题时,需要把流体和固体弹性系统作为一个统一的动力系统考虑,找到两者的耦合条件。由此,为了抑制涡振,通常会通过风洞试验选取一个合适的截面破坏漩涡脱落,以此降低涡激振动的响应。

前面提到,虎门大桥是由于设置水马改变了钢箱梁的气动外形才引起了涡振现象,由此,葛耀君建议:

解决办法就是,加了什么拿掉什么,短时间内或还会有振动,因为能量还没耗散掉。

桥梁振动不少见

除了涡激振动,关于桥梁振动还存在颤振、抖振、驰振等形式,而这些都会对桥梁的正常使用造成影响,甚至严重情况下会对桥梁造成破坏。

在国内外记录中,大桥晃动的实例屡见不鲜。

虎门大桥为什么那么“浪”?

雷锋网注:图为伏尔加格勒大桥

伏尔加格勒大桥“蛇形共振”

2010 年 5 月 19 日,伏尔加格勒过河大桥桥面突然呈波浪形翻滚。从侧面看去,桥边一段接着一段,不停地上上下下。

届时,俄罗斯著名桥梁专家阿纳托利表示,这种现象可能因风波动和负载所共振而发生。大桥振动停止后,专家检查了桥梁各处道路和围栏等,发现桥梁无裂纹,无损伤。

虎门大桥为什么那么“浪”?

雷锋网注:图为日本东京湾大桥振动场景

日本东京湾大桥“竖向涡振”

和虎门大桥一样,东京湾大桥也曾产生过涡振。

东京湾大桥最大跨度 240m,曾在 16-17m/s 的风速下,发生竖向涡振,其晃动幅度达 50cm。

虎门大桥为什么那么“浪”?

雷锋网注:图为塔科马海峡吊桥

塔科马海峡吊桥 “振动倒塌”

塔科马海峡吊桥跨度达 853 米,大桥建成通行四个月后,就发生了坍塌事故。

据悉,塔科马海峡吊桥的设计师 Leon Moisseiff 认为,斜拉索大桥主缆能够化解一部分风的压力,同时,桥墩和索塔也能够通过传导分散能量,由此将桥的主梁由 7.6 米缩减至 2.4 米。

但由于没有预见空气动力给桥梁带来的共振影响,塔科马海峡吊桥在微风情况下都会发生晃动,当风力值变大时,其晃动幅度亦会增大。

坍塌事故发生后,美国空气动力学家 Theodore von Karman 进行了调查,发现倒塌原因在于桥面厚度不足,当吊桥自身的固有频率和卡门涡街的振动频率达成一致时,桥面容易产生剧烈共振。

幸运的是,虎门大桥没有造成实质性破坏,据最新消息,桥梁专家仍在进一步排查桥梁的安全隐患。

同时,历史的印记也在警示着后人——桥梁的安全性始终是第一位。


参考资料:

【1】https://baike.baidu.com/item/%E8%99%8E%E9%97%A8%E5%A4%A7%E6%A1%A5/3535629?fr=aladdin

【2】http://www.xinhuanet.com/local/2020-05/06/c_1125945306.htm

【3】https://baike.baidu.com/item/%E6%B6%A1%E6%BF%80%E6%8C%AF%E5%8A%A8/4461393?fromtitle=%E6%A1%A5%E6%A2%81%E6%B6%A1%E6%8C%AF&fromid=49999235&fr=aladdin

【4】http://www.ccdi.gov.cn/yaowen/202005/t20200506_216749.html

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