虎门大桥异常振动原因何在?

5月5日下午2点,广东虎门大桥发生明显振动。专家分析,振动是由风引起的,不会影响桥梁结构的安全性,只会影响驾驶体验和舒适度。有关单位正在对大桥进行全面检查,并计划尽快通车。

5月5日14: 00左右,虎门悬索桥桥面出现明显振动|新闻截图

作者|李锐

虎门大桥|维基公共

历史上发生过两次著名的桥梁事故,使人们认识到桥梁的“风敏感性”。

(1)泰国大桥事故——风静荷载倾覆桥

1878年,在苏格兰的泰国湾建造了一座跨海铁路桥。这座3.5公里长的桥被命名为泰国桥,是当时世界上最长的桁架桥。然而,这座曾经让英国人引以为豪的桥,寿命不到两年。1979年12月28日,泰国大桥在强风中倒塌。当时,风速达到每秒30多米,穿过大桥的火车连同桥面桁架一起坠入大海。这一事件造成了一场重大悲剧,75人死亡。

这座桥是由当时著名的英国桥梁工程师托马斯·博施爵士建造的。随后进行的调查发现,他对55米长的桁架梁进行了风荷载评估,并得出结论认为没有必要担心风的影响。之后,改变了设计方案,将主梁长度调整到75米。然而,他没有及时进行风荷载评估。相反,他相信风不会影响现有的设计。

事故发生后,调查委员会给出的一系列结论都认为风荷载的瞬时不稳定性至少是关键原因之一。这场事故不仅玷污了珀西爵士半辈子奋斗的名声,也让他失去了碰巧在失事列车上的女婿。

当第一座泰国大桥建成时,它看起来像一个公共领域。

(2)塔科马大桥事故——人类对风动力荷载的第一理解

泰国大桥事故使人们意识到风对大桥的严重威胁。此后,风荷载评估一直是桥梁建设过程中的基础工作之一。然而,人类此时还没有意识到同样的风力是一样的。在某些情况下,弱风也可能对桥梁造成重大灾害。

半个世纪过去了,1940年3月9日,位于华盛顿州西北部海湾的塔科马大桥竣工并通车。塔科马大桥是一座与虎门大桥类型相同的悬索桥,主跨长853米,但桥身只有两条车道和人行道,总宽度为11.9米。

在大桥建设期间和通车后,许多建筑商和路人注意到,大桥的振动幅度如此之大,以至于许多人开始感受到桥面上的颠簸。在接下来的几个月里,当局想出了许多办法来解决这个问题,但是各种对策都没有一定的效果。

1940年11月7日(建桥之年),风速达到每秒19米,桥面振动异常强烈。华盛顿大学的富克森博士和他的团队负责大桥的风洞模型实验,他们接到报告后赶到现场,用16毫米胶片拍摄了一系列从振动失稳到最终倒塌的珍贵桥梁视频。

从剩下的视频中,工程师们发现桥梁的振动模式首先表现为一个正弦波,有5个波峰和4个波谷,周期为每分钟36次。这种振动持续了将近一个小时,然后突然转变为以桥面的中心为对称轴,并且两边分别沿着道路的中心线扭转,以每分钟14次的周期运动。扭转在短时间内对桥梁的承重部件造成了极其严重的损坏。最后,桥很快从波动幅度最大的桥面四分之一处断裂,掉进了海里。

第一代塔科马大桥落入海洋前的扭曲|公共领域

第一代塔科马大桥坠入大海

塔科马大桥坠入大海的视频至今仍在互联网上流传。当时人们不明白的是,为什么当荷载远低于设计风速时,桥梁会如此强烈地振动,直到完全失去控制而倒塌?

从今天的角度来看,如果说塔桥事故是由于人类缺乏对自然的崇敬,那么塔科马大桥事故则是由于缺乏对自然规律的透彻理解。

揭开涡旋振动的神秘

塔科马大桥事故发生后,华盛顿州部长第二天宣布大桥设计合理,重建工作将立即开始。然而,许多业内人士对此强烈反对。他们认为在事故原因查明之前,不能草率地进行重建。其中包括著名的流体动力学专家西奥多·冯·卡门。

据说他找到了这座桥的设计模型,然后把它放在桌子上,用电风扇吹了吹。当电风扇的风力达到一定的“恰好”范围时,模型开始振动,并在风力的作用下逐渐产生强烈的共振。卡门教授立即意识到由风引起的共振可能是桥梁倒塌的主要原因。当他组织一个团队在加州理工学院进行实验时,他联系了州长,告诉他如果他匆忙重建这座桥,他会再次犯同样的错误。

最后,在公众舆论的压力下,政府成立了一个事故调查组,其中包括卡门教授。他用自己在流体动力学方面的渊博知识向建设者解释了风力引起桥梁共振的可能机理,并要求建设者提出一个新的方案,在考虑施工之前必须进行风洞试验。

两座重建的塔科马大桥|不和谐

重建后的塔科马大桥已经通车。新设计解决了共振问题,被当地居民称为“强盖蒂”。风和桥之间可能的共鸣也成为了生活的常识之一。

那么,话说回来,这种共鸣是如何形成的呢?

经过上述两起事故的“教育”,我们已经知道风力对桥梁的影响主要有两种类型,一种是所谓的静荷载(静风力),另一种是动荷载。

静荷载是针对泰国大桥事故中的类似情况,主要是桥梁构件在承受风力后形成的横向荷载。据说是静荷载,但实际的迎风形状是不断移动和变化的,“静”是指作用在某一结构上一段时间的平均风荷载。

动荷载是针对塔科马大桥事故中的类似情况,主要是由风力与桥梁结构共振引起的动荷载。动载荷的具体类型有很多,但虎门大桥新闻中提到的涡激振动起着最重要的作用。

当风作为流体通过桥梁构件时,它将不可避免地流过桥梁的两侧。在一定条件下,两侧的空气会形成一系列交错的气旋,这就是所谓的“卡门涡街”现象。“街道”指的是流体漩涡以类似于路灯的方式排列的街道,因此它看起来像一条用漩涡作为路灯的街道。

涡流将对通过它的流体施加横向力,这将对桥梁构件产生周期性力。这里应该注意的是,风本身没有周期性,而是风吹过后涡流自然形成的周期性力。当涡流的周期性振荡与桥面自身的弯曲振荡(桥面自身的上下振荡)重合时,就会形成强烈的共振。这就是所谓的“涡旋振动”。

“卡门涡街”现象

在了解了涡旋振动的原理之后,我们将回答塔科马大桥的问题。该桥的原设计团队很好地考虑了静荷载对桥梁的影响。据说这座桥承受瞬间风速的强度达到每秒60米以上。然而,由于当时认知水平的限制,设计和施工成本被盲目节省,导致一系列桥梁形式或结构容易引起涡振。此外,由于对桥梁在风力作用下的振动认识不足,没有设置有效的振动控制部件,当地特殊的天气条件最终导致了灾害。

既然涡流振动可能对桥梁造成如此大的破坏,人们如何避免涡流振动的产生?

鉴于旋涡振动的危险性,风洞试验是当前桥梁设计过程中非常关键的一步,它可以在结合当地气象条件的情况下判断设计方案是否容易引起共振。然而,无论设计多么精巧,都不可能完全避免涡流振动的可能性。因此,人们想出了一系列的方法来尽可能地降低涡旋振动的强度。

抑制涡流振动强度的方法大致可分为两种,一种是空气动力学方法,另一种是结构力学方法。它们分别作用于涡流和涡流产生的振动。

空气动力学的原理很简单。由于在某些地方可能会产生涡流,通过在这些地方设置导流板和挡板等结构,可以有效地控制气流的流向,从而减弱或消除涡流产生的周期性力。

史明海峡大桥下的挡板

结构力学以振动为主要消除对象,有许多具体的实现形式,其中减振装置用于抑制振动技术含量较高。这种类型的装置基于产生与桥梁振动方向相反的振动的原理,以便从整体上抵消振动幅度。类似装置在高层建筑抗震等领域也有大量的应用实例。

动态图,振动控制装置效果比较(上图黄色方框)|作者自制

当然,上述结构或装置的有效性也必须通过风洞试验进行评估。

目前,世界上最长的吊桥是日本的明石海峡大桥。它的主跨长已达1991米,是虎门大桥的两倍多。在桥梁施工初期,施工人员按照1: 100的比例制作了长度约40米的风洞模型,详细评估了桥梁结构可能面临的旋涡振动风险和振动控制措施的有效性。然而,即使如此,在强风和明显摇晃的天气下,大桥也将暂时关闭。

日本的明石凯萨桥,世界上最大的吊桥

当然,在强风等恶劣天气下,中国的虎门大桥将暂时关闭。

虎门大桥的现状如何?

导致虎门大桥桥面升降的风其实不是很大,不会影响桥梁的结构安全,只会影响驾驶体验和舒适度,容易导致交通事故。因此,桥梁管理部门启动了应急预案,交警部门及时采取了双向交通控制措施。

根据现有数据和观测现象分析,虎门大桥悬索桥结构安全可靠,在后续使用中振动不会影响结构安全性和耐久性。目前,桥面已基本恢复正常。有关单位正在对大桥进行全面检查,并计划尽快通车。

中国现代悬索桥的建设起步很晚。1995年12月汕头海湾大桥的建成拉开了中国现代悬索桥建设的序幕。虎门大桥建于1992年,1997年通车。作为基准工程,当时西南交通大学和同济大学联合进行的风洞试验表明,该桥梭形空气喷嘴扁钢梁具有良好的气动性能。

然而,我国《公路桥梁抗风设计规范》已经修订了几次,二十多年来对桥梁抗风的认识不断加深。因此,虎门大桥成为第一座安装有桥梁监控系统的桥梁。

虽然通过了风洞试验,但试验模拟的风荷载与实际风荷载不同。该桥投入使用后能否承受实际风荷载,还需要时间进行测试。虎门大桥的震颤设计风速高于超级台风,并经受了多次台风的洗礼,足以表明设计强度满足要求。

本次振动事件的新闻报道是由于桥梁近期维修,桥梁两侧不断放置水车(内部装满水的大水桶作为防护栏),影响护栏的通透性,在特定的风环境条件下会产生涡流振动现象,导致梁体振动。

从现场图像来看,虎门大桥振动频率高、振幅小,是典型的涡旋振动特征。5月6日晚10点,《南方日报》宣布,水车已被完全移走,震动趋于平息,这也证实了之前的猜测。然而,当桥梁恢复到静止状态时,需要时间和风场的变化,直到应力能量完全释放,这也是为什么在放下水马后,振动在夜间仍存在一段时间的原因。

目前,虎门大桥的涡激振动并没有影响到桥梁的使用寿命或结构安全,也没有必要过分担心桥梁的命运。然而,长期的涡流振动会影响结构的抗疲劳能力。虎门大桥的异常振动持续了几个小时。梁端竖向支撑、抗风支撑、伸缩缝等关键部位是否有损坏仍需检查。这也是中国共产党广东省委员会在技术会议上提议进行全面检查以确认振动原因并在充分论证后打开车辆的原因。此外,通车后应加强监控,为持续维护提供依据。

风力发电与桥梁之间的复杂功能给人类带来了巨大的损失。政府职能部门和桥梁建设、运营和维护的技术单位都面临着许多技术和管理挑战。然而,每当人们的生命和财产被放在第一位时,它们就是我们决策的主要因素。

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