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大橋有點“飄” 如何才能“定”

作者:本站發布機構:中國安全生產網發布日期:2020-05-08

“渦振是個‘怪東西’。其實橋上有車行走,它的渦振(渦激振動)振幅比無車情況還會小些。換句話說,虎門大橋限速通車,也安全?!?月7日,長沙,中國工程院院士陳政清一開口,就讓科技日報記者愣了一下。

近期,我國大橋似乎有點“飄”。4月26日,武漢鸚鵡洲長江大橋橋體發生波浪形晃動。9天后,廣東虎門大橋懸索橋也來了一波類似的“神晃動”,讓大橋“飄”上了熱搜。

大橋為啥如此“飄”,怎樣才能讓橋“淡定”下來?記者就此到訪湖南大學土木工程學院、風工程試驗研究中心。

大橋“飄”得很安全 為啥人們“瘆得慌”

抖音視頻里虎門大橋的波動“大片”,著實讓人瘆得慌。不過,專家均表示,盡管大橋“飄”得明顯,但仍安全。

如何看大橋的“飄動”,陳政清認為可分“動靜”兩種角度。大橋在設計時,均會考慮結構承載能力,即大橋滿載時最大下沉幅度。據估算,虎門大橋最大下沉幅度為2米,此次大橋“飄”幅0.5米左右。從這一靜力概念看,大橋很安全。

如此安全,為啥大橋渦振要封橋?這與“動態”指標有關。

“目前規范規定的渦振加速度,設計容許最大值為0.1個重力加速度,高于這個值的振動,會讓人感到不舒服。此次振動加速度超過了這個值,人的感受就很明顯了?!标愓褰颐亓嘶㈤T大橋渦振給人的視覺“大片感”。不過,他補充,渦振振幅不大于0.35米時,車輛也能限速通行。

同樣是“振” 但風速高低有別

讓大家害怕的還有風速問題。無論鸚鵡洲橋還是虎門大橋,始作“風”的風速均不大。如此溫柔的風,都能讓大橋“飄”起來,遇上臺風咋辦?

湖南大學土木研究院副院長華旭剛表示,橋梁渦振從理論上不能消除,只能通過技術降振。但不等于風速低能引發渦振的大橋就不能抵抗臺風等暴風侵襲,這是兩碼事。對于臺風等高風速產生的“顫振”,橋梁設計時有周密考量。

不過,關于虎門大橋渦振,尚有幾種猜測。

虎門大橋是上世紀90年代中期建設的海邊大跨度懸索橋,為箱梁結構,橋面呈流線型,其抗風性能理論上良好,此前也未出現過明顯渦振。此次出現,或因近期大橋施工,在橋兩側加裝全長段臨時擋板有關。

歷史上,有個著名的“小風吹垮大橋”案例,即美國塔科馬海峽大橋在微風中塌陷?!八岂R海峽大橋橋面呈H型,是最不能抵抗渦振的形狀?;㈤T大橋在施工中全線安裝擋板后,也就從流線型變成了H型,類似塔科馬海峽大橋橋面?!标愓逭f。

專家還有種猜測,與大橋“阻尼比”有關。通俗說,“阻尼比”類似病毒抗體,代表其抵抗大橋振動的能力。阻尼比越小,大橋抗震能力就越低?;㈤T大橋存在25年之久,是否有可能阻尼比變小,影響到抗渦振能力?

人們都在糾結溫柔的風吹動了堅固的橋。但其實風溫柔與否不是重點,吹的角度才有技術含量。這個技術叫“攻角”?!按禾鞛樯逗梅棚L箏?因為氣流從下往上形成‘攻角’。通常攻角不超過3度,所以風洞試驗是按正負3度進行測試。如果刮風攻角大于3度,就可能引起振幅高于設計振幅?!标愓逭f。

風還是溫柔的風,只是今年“攻角”可能更大。換言之,不是刮風就會渦振。要引起渦振的條件頗苛刻:如風向基本和橋面正交,形成“正攻角”;風要“平穩”,紊流度小,而非風速忽高忽低。

大跨度橋梁越來越多 渦振“中國問題”要重視

“我們的抗風規范,主要針對跨度200米以內的橋梁設計??缍刃〉臉蛄翰淮嬖诿黠@渦振問題。但大跨度橋梁,特別是懸索橋及連續梁橋,都易遇渦振問題,因此通常采用風洞試驗測試?!标愓逭f。

全球自上世紀90年代起,就發生過多個大跨度懸浮橋的渦振。緣何今日存在這類渦振?陳政清認為,面對大跨度橋梁高階模態渦激共振,存在一個亟須解決的“中國問題”,即抗風規范應進一步完善,考慮大跨度橋梁的多階渦振可能性。

“渦振受風和橋梁自身結構影響。風不能人為控制,但我們能從橋梁上想辦法?!标愓逭f。

辦法主要有兩種:加大阻尼比,或改變橋梁氣動形狀。國外內大量調查研究表明,多數橋梁實際阻尼比低于規范阻尼比。因此可借助增加阻尼器來增大橋梁阻尼比。如湖南大學研究團隊考量橋梁阻尼器“長壽”因素,發明的電渦流阻尼器,能將震動轉為電力消耗掉,變相增大阻尼比。同時,在對大跨度橋梁進行風洞試驗時,適度調低測試阻尼比。

橋梁結構也很重要。湖南杭瑞高速動力谷大橋、矮寨橋等大跨度橋梁,均采用桁架橋結構,抗渦振能力更強。不過,對已成型的橋梁,進行氣動外形改良也是研究熱點。這些研究包括橋位風環境數值模擬、大橋動力特性識別、健康監測系統升級及渦振大數據分析、大比例節段模型風洞試驗及減振措施、風—車—橋耦合振動分析等。(俞慧友)

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