怎樣使虎門大橋產(chǎn)生波浪式振動(dòng)的？

相信不少傳粉都刷到了“虎門大橋出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)”這則新聞，5月5日下午14時(shí)許，虎門大橋懸索橋橋面發(fā)生明顯振動(dòng)，橋面振幅過大影響行車舒適性和交通安全，大橋管理部門啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，聯(lián)合交警部門及時(shí)采取了雙向交通管制措施。據(jù)了解，橋梁主體結(jié)構(gòu)未受損，原因是渦振造成的橋梁振動(dòng)。

渦振到底是什么？又是怎樣使虎門大橋產(chǎn)生波浪式振動(dòng)的？我們今天就來了解一下。

什么是渦振

從流體的角度來分析，任何非流線型物體，在一定的恒定流速下，都會(huì)在物體兩側(cè)交替地產(chǎn)生脫離結(jié)構(gòu)物表面的旋渦。相似的有卡門渦街效應(yīng)。

卡門渦街原理圖

比如在水流中插一根木樁，在特定條件下木樁下游的兩側(cè)，會(huì)產(chǎn)生兩道非對(duì)稱排列的旋渦。這兩排旋渦旋轉(zhuǎn)方向相反，相互交錯(cuò)排列，就像街道兩邊的街燈一樣。

從太空俯瞰智利海岸的卡門渦街

卡門渦街是有規(guī)律的周期性現(xiàn)象，也就是說漩渦的形成和側(cè)向力的作用，是具有一定頻率的。

下面我們來聽聽，

東莞理工學(xué)院校長(zhǎng)馬宏偉更專業(yè)的解答：

虎門大橋振動(dòng)原因詳解

廣東省交通集團(tuán)通報(bào)稱，5月5日下午14時(shí)許，虎門大橋懸索橋橋面發(fā)生明顯振動(dòng)，橋面振幅過大影響行車舒適性和交通安全。廣東省交通運(yùn)輸廳、省交通集團(tuán)連夜組織國內(nèi)12位知名橋梁專家召開專題視頻會(huì)議，對(duì)虎門大橋橋面振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了研判。

虎門大橋大修辦公室相關(guān)負(fù)責(zé)人回應(yīng)

專家組初步判斷，虎門大橋懸索橋本次振動(dòng)主要原因是，由于沿橋跨邊護(hù)欄連續(xù)設(shè)置水馬，改變了鋼箱梁的氣動(dòng)外形，在特定風(fēng)環(huán)境條件下，產(chǎn)生的橋梁渦振現(xiàn)象。大跨徑懸索橋在較低風(fēng)速下存在渦振現(xiàn)象，振動(dòng)幅度較小不易察覺，僅在特殊條件下會(huì)產(chǎn)生較大振幅，不影響橋梁結(jié)構(gòu)安全，會(huì)影響行車體驗(yàn)感、舒適性，易誘發(fā)交通安全事故。

橋梁風(fēng)工程研究專家葛耀君解釋道：當(dāng)前虎門大橋正在修吊桿和主纜，橋梁兩邊為防止車撞放置了臨時(shí)擋墻，也就是俗話說的水馬，水馬改變了橋梁外形，原來橋梁結(jié)構(gòu)是非常流線型的，加了（水馬）就變得非常鈍體了，所以容易引起渦振。他估計(jì)這次振動(dòng)幅度為幾公分或者十幾公分，雖然看上去振動(dòng)很大，但橋梁強(qiáng)度安全性沒有問題。葛耀君表示，橋梁振動(dòng)會(huì)讓人覺得不舒服，車開上去也會(huì)有危險(xiǎn)，所以要暫停車輛通行。解決辦法就是，加了什么拿掉什么，短時(shí)間內(nèi)或還會(huì)有振動(dòng)，因?yàn)槟芰窟€沒耗散掉。

水馬，一種用于分割路面或形成阻擋的塑制殼體障礙物。

虎門大橋護(hù)欄邊的水馬

就是你開車經(jīng)常能在路上看到的這個(gè)物體

水馬實(shí)物圖

這次事故中，水馬改變了大橋的共振特性，當(dāng)一定速度的風(fēng)吹過，不大不小，剛剛好是風(fēng)速8m/s，穿過大橋的氣流會(huì)周期性地產(chǎn)生兩串平行的反向旋渦，連續(xù)性的旋渦會(huì)對(duì)被繞的橋梁產(chǎn)生周期性浸染力，這種浸染力和大橋震動(dòng)的頻率接近時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振。

共振越強(qiáng)，大橋擺動(dòng)扭曲的幅度便會(huì)越大，好在共振不強(qiáng)，及時(shí)拆卸了水馬，沒有釀成橋毀人亡的事故。

根據(jù)現(xiàn)有掌握的數(shù)據(jù)和觀測(cè)到的現(xiàn)象分析，虎門大橋懸索橋結(jié)構(gòu)安全可靠，此次振動(dòng)也不會(huì)影響虎門大橋懸索橋后續(xù)使用的結(jié)構(gòu)安全和耐久性。

但這也在一定程度上暴露出了我們?cè)跇蛄吼B(yǎng)護(hù)過程中，缺乏足夠的專業(yè)人員指導(dǎo)，忽視了橋梁的特性。

歷史上的事故

橋梁的共振，專業(yè)名詞叫“機(jī)械共振”——每個(gè)物體都有一個(gè)特別的固有頻率，當(dāng)外界作用給這個(gè)物體的頻率恰好等于這個(gè)固有頻率時(shí)，物體就會(huì)產(chǎn)生超出平常的位移，形成共振。

重量只可能壓垮橋梁，不可能導(dǎo)致橋梁共振。如：去年的無錫高架橋坍塌事故，就是由于重量壓垮所致，而非共振。

19世紀(jì)初，一隊(duì)拿破侖的士兵在法國昂熱市一座大橋邁著正步前進(jìn)，走到橋中間時(shí)，橋梁突然自發(fā)地強(qiáng)烈顫動(dòng)，隨后斷裂坍塌。事后經(jīng)過調(diào)查，士兵的齊步走產(chǎn)生的頻率剛好吻合了大橋的共振頻率，導(dǎo)致了悲劇的發(fā)生。

一隊(duì)士兵再重，也不至于讓橋梁超重，沒有超重卻垮塌了，因?yàn)楣舱衽c超重?zé)o關(guān)，只與頻率有關(guān)。

歷史上最為著名的因共振而導(dǎo)致的橋梁倒塌事故當(dāng)屬美國的塔科馬海峽吊橋事件——它既是現(xiàn)代橋梁建筑史上最為標(biāo)志性的災(zāi)難，也成為物理學(xué)和工程學(xué)的經(jīng)典研究案例。

1940年11月7日，技術(shù)人員在7:30測(cè)得風(fēng)速為38英里/小時(shí)，兩小時(shí)后增強(qiáng)至42英里/小時(shí)，而此時(shí)的塔科馬海峽吊橋，橋面波浪形起伏已達(dá)1米多。瘋狂的扭動(dòng)使得路面一側(cè)翹起達(dá)8.5米，傾斜達(dá)到45度。而這一切剛好被正在附近拍攝電影的團(tuán)隊(duì)收入鏡頭當(dāng)中，留下了珍貴的影像。

最終，承受著大橋重量的吊索接連斷裂，與120多米的大橋主體轟然墜入塔科馬海峽，激起了一大片煙塵。

塔科馬海峽吊橋倒塌后第二天，著名物理學(xué)家馮·卡門覺得此事不妥，便用一個(gè)塔科馬海峽吊橋模型進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果不出他所料，塔科馬海峽吊橋倒塌事件的元兇，正是“卡門渦街”引起的橋梁共振。

在這次事故中，橋兩邊的鋼板就像是水流中的木樁。當(dāng)風(fēng)形成的高速漩渦不斷從橋身兩邊脫離時(shí)，會(huì)對(duì)橋身產(chǎn)生一個(gè)交替的側(cè)向力。

馮·卡門1954年在《空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展》一書中寫道：塔科瑪海峽大橋的毀壞，是由周期性旋渦的共振引起的。設(shè)計(jì)的人想建造一個(gè)較便宜的結(jié)構(gòu)，采用了平鈑來代替桁架作為邊墻。不幸，這些平鈑引起了渦旋的發(fā)放，使橋身開始扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。這一大橋的破壞現(xiàn)象，是振動(dòng)與渦旋發(fā)放發(fā)生共振而引起的。

自此以后，土木工程界充分認(rèn)識(shí)到了空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)橋梁帶來的影響，后面所有的大型橋梁都要在風(fēng)洞中進(jìn)行相關(guān)共振實(shí)驗(yàn)，以免產(chǎn)生類似事故。

現(xiàn)代橋梁是如何抗震的？

現(xiàn)代的橋梁，為了防止出現(xiàn)共振垮塌，都在設(shè)計(jì)時(shí)增加了阻尼設(shè)置，已經(jīng)杜絕了共振垮塌的可能。

橋梁抗震的兩大方法是隔震和耗能。隔震原理下的延性設(shè)計(jì)和隔震設(shè)計(jì)已經(jīng)被規(guī)范收錄采用，而采用耗能原理的各種阻尼器還未在規(guī)范中體現(xiàn)，所以我們說說阻尼器。

其實(shí)基于耗能原理的減震設(shè)計(jì)已經(jīng)被建筑規(guī)范采用10多年，可以相信阻尼器和阻尼支座在橋梁上一定會(huì)有應(yīng)用空間。

▲粘滯阻尼器

根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)，特別是當(dāng)流體通過節(jié)流孔時(shí)會(huì)產(chǎn)生粘滯阻力的原理而制成的，是一種與剛度、速度相關(guān)型阻尼器。（粘滯阻尼器采用內(nèi)填硅油的油缸式結(jié)構(gòu)，通過活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)內(nèi)部硅油的流動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生阻尼效果）。

粘滯耗能阻尼器的研發(fā)和應(yīng)用，等于給建筑或橋梁裝上了“安全氣囊”。在地震來臨時(shí)，阻尼器最大限度吸收和消耗了地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的沖擊能量，大大緩解了地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成的沖擊和破壞。

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)有如下原則：

強(qiáng)柱弱梁：要求同一結(jié)點(diǎn)柱端截面受彎承載力總和大于梁端受彎承載力總和；

強(qiáng)剪弱彎：控制截面的抗剪承載力大于抗彎承載力；

強(qiáng)結(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件：梁柱結(jié)點(diǎn)是保證結(jié)構(gòu)整體性和關(guān)鍵部位，要保證結(jié)點(diǎn)有足夠的強(qiáng)度和剛性；

建筑結(jié)構(gòu)抗震的一般原則同樣適用于橋梁結(jié)構(gòu)。

橋梁上部結(jié)構(gòu)由于受到墩臺(tái)、支座等的隔離作用，在地震中直接受慣性力作用而破壞的實(shí)例較少，由于下部結(jié)構(gòu)破壞而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)破壞則是橋梁結(jié)構(gòu)破壞的主要形式，下部結(jié)構(gòu)常見的破壞形式有以下幾種：

墩臺(tái)位移使梁體由于預(yù)留擱置長(zhǎng)度偏小，使得橋跨縱向位移超出支座長(zhǎng)度而引起落梁破壞；

支座在地震作用下由于抗剪承載力不足而破壞，導(dǎo)致落梁；

配筋設(shè)計(jì)不當(dāng)，承載力不足，引起結(jié)點(diǎn)部位破壞；

墩柱失效引起落梁破壞。

小結(jié)

虎門大橋是中國第一座大型懸索橋，其主航道跨徑888米，被譽(yù)為“中國第一跨”，橋梁結(jié)構(gòu)與鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋相似。虎門大橋作為粵港澳大灣區(qū)關(guān)鍵通道，通車23年來，為粵港澳大灣區(qū)各城市互聯(lián)互通和經(jīng)濟(jì)繁榮發(fā)展發(fā)揮了重要作用。

現(xiàn)在我們知道了，橋梁振動(dòng)是因?yàn)椤翱ㄩT渦街”現(xiàn)象，原因是橋的兩邊放置了水馬，和豆腐渣工程沒有任何關(guān)系。

虎門大橋1992年開始建設(shè)，1997年5月通車，已經(jīng)安全服務(wù)超過20年，歷經(jīng)考驗(yàn)，質(zhì)量絕對(duì)過關(guān)。但此次事故之后仍然需要進(jìn)行檢測(cè)，以除后患。

我們從廣東海事局了解到，廣東省交通運(yùn)輸廳兩次召開虎門大橋懸索橋振動(dòng)專家咨詢會(huì)，專家組認(rèn)為此次振動(dòng)不會(huì)影響虎門大橋懸索橋結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行。廣東海事局報(bào)請(qǐng)上級(jí)部門核準(zhǔn)，于5月7日16：30開始，虎門大橋通航水域恢復(fù)通航。 檢測(cè)人員在虎門大橋現(xiàn)場(chǎng)加緊檢測(cè)，專家正在會(huì)商，具體大橋通車時(shí)間待定。

著名橋梁專家錢學(xué)新曾說過：“橋上人命關(guān)天，一顆鉚釘都不能馬虎。”如今我國無論從財(cái)力、物力和人力都今非昔比，各種技術(shù)突飛猛進(jìn)。然而再先進(jìn)的設(shè)備、再好的技術(shù)都是由人來操作和控制的，沒有負(fù)責(zé)的建設(shè)者，就不會(huì)有真正的百年工程、民心工程，質(zhì)量和安全永遠(yuǎn)應(yīng)該是一座“堅(jiān)強(qiáng)”建筑的根本保證。
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