什么网站:虎门大桥的“涡振”是什么?风速更大后会发生什么?

  虎门大桥桥面5月5日出现肉眼可见的“上下起伏”,引发广泛关注。不久前,武汉鹦鹉洲大桥也经历了类似的晃动。

  事发时,珠江口狮子洋上的风速大约为8m/s,并不算很大,而武汉当地居民更用“风和日丽”来形容鹦鹉洲的天气。为什么虎门大桥经历过多次台风考验、前面正面挺过超强台风“山竹”,却会被和风剧烈影响?

  经过专家组初步判断,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,产生了桥梁涡振。

  涡振背后是一种“卡门涡街效应”11月24星座运势如何,由钱学森、郭永怀、钱伟长等人的老师、美籍匈牙利裔流体力学大师冯·卡门发现,用于描述空气等流体通过物体后出现涡旋脱落。这些漩涡脱落的频率会桥梁的固有频率形成共振。

  桥梁涡振的一大特点是“限幅”,也就是随着风力的增加,振动也只会限制在一个锁定的区间内,不会像塔科马大桥颤振一样越演越烈,短期内相对安全可控,长期需保持监测。

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  流体力学大师冯·卡门

  广东省澶滃浜ゅ弸缃戠珯,交通集团通报称,根据现有掌握的数据和观测到的现象分析,虎门大桥悬索桥结构安全可靠,此次振动也不会影响虎门大桥悬索桥后续使用的结构安全和耐久性。

  什么是“涡振”?

  世界上没有绝对的刚体,看似坚不可摧的钢筋混凝土大桥,同样会产生形变和振动。著名的案例是当军队整齐划一地跨过桥梁,齐步频率恰好与桥梁的固有频率形成“共鸣”时,就可能引发剧烈振动,乃至塌陷。

  风有时会产生同样强大的威力,悬索桥尤其易受影响。风激发的振动包括多种,这里主要介绍涡振和颤振。

  涡振,全称涡激振动(vortex induced vibration,VIV),起因是风流过物体截面后,在物体背后产生周期性的漩涡脱落,由此产生对结构的周期性强迫力。

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  涡旋

  我们可以想象“抽刀断水水更流”,水先是拐了弯,从刀面两端继续流过,随后形成复杂的漩涡结构。

  这种涡旋结构的频率主要与两个因素有关,一是风速,而是截面的形状尺寸,因此,在设计建造桥梁的数学模拟和风洞试验中,工程师们通常已经做好了充分的安全考虑,通过截面设计来破坏涡旋的脱落。

  在综合了哈尔滨工业大学深圳校区柳成荫、肖仪清和顾磊等老师意见后,专家分析认为,虎门大桥正在维修施工中,桥面加了1.2米高的水马挡墙,从而破坏了断面流线型引发涡振。

  为什么振幅有限?

  8m/s的风速已经引发肉眼可见的振动,也有些人担心,如果风速更大,会否酿成像美国塔科马海峡大桥那样的悲剧?

  1940年,通车仅4个月的塔科马海峡大桥曾在18m/s每秒的风速下剧烈“舞动”,最终塌陷,成为桥梁抗风研究史上的关键事件。

  专家组分析得出了“有限振幅”的结论,这也是桥梁涡振的一大特点。

  原来,当旋涡脱落频率接近桥梁的固有频率,也会产生齐步走和桥梁那样的相互作用,在一定风速范围内产生一种“锁定”现象,空气带来的正阻尼力阻止结构振动继续扩大。

  在锁定区域内,随着风速提高,结构仍然按固有频率振动,促使漩涡倾向于继续按此频率脱落。只有当风速进一步提高,空气阻尼进一步增大,结构的振动不足以继续维持原有的漩涡脱落频率,结构振动才会与旋涡脱落解锁,离开共振状态。

  因此,涡振是一种限幅振动,不能无限发散。而且,因为长跨度桥梁的固有频率往往较低,涡振通常也只会在风速不大的情况下发生。

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  涡激振动

如何写出一份星座运势  广东省交通集团通报称,大跨径悬索桥在较低风速下存在涡振现象,振动幅度较小不易察觉,仅在特殊条件下会产生较大振幅,不影响桥梁结构安全,会影响行车体验感、舒适性,易诱发交通安全事故。

  不过,桥梁涡激的有限振幅到底是多少,目前国内外还没有形成一套比较完整的分析理论。学术界也仅对圆柱等少数形状璧涘姏缃戠珯,经过反复实验后形成较为精确的公式。在实际设计建造桥梁时,采用一种半理论半实验的方法进行近似估算。

  而美国塔科马海峡大桥的致命原因并非涡振,而是颤振。颤振是长的条带状结构在横向气流作用下发生的大幅振动,并且具有以扭转振动为主的特征,最早在飞机机翼的失速上引起人们的注意。

  颤振是一种典型的气流与结构振动强烈耦合的效应。即气流导致结构振动,结构振动反过来又导致气动力增强,于是振动更加剧烈,最终导致振动发散结构毁坏。可以理解为,涡振中气流和结构相互制衡,形成锁定,而颤振则是互为借力,越演越烈。

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  虎门大桥动工建设时间是1992年,是中国第一座真正意义上的大规模现代化悬索桥。经过半个世纪多的技术发展,加上广东是台风多发地区,像塔科马大桥这样致命的“颤振”问题早已在设计之初就被重点排除。

  长期监测

  因此,短期内桥梁涡振并不影响结构安全,长期上应注意对主梁支座和主缆、吊索的疲劳损伤检测监测。

  现代桥梁往往有一套软硬件结合的系统,对桥梁的裂缝、航道、车流量、大桥的环境温度、振动情况、移位情况等进行实时监测预警。

  据《科技日报》报道,虎门大桥确有一套这样的监测系统,通过对桥的连续位移进行实时监测,了解桥梁结构在各种作用下的实际受力状态和工作状况;同时通过分析监测结果得到结构的振动参数,验证结构的抗风、抗震设计,实现对大跨桥梁安全的实时监测。

  业内人士透露,建筑的监测系统维护起来并不容易,一般10年左右软硬件都需要更新,有些项目并不一定能及时置换更新,但像虎门大桥这样的重要枢纽监测系统应该会保持良好运转。

  截至发稿,虎门大桥管养单绂忓窞瀹濅腑鏃呮父瀹樻柟缃戠珯,位仍在对对大桥进行紧急全面检查检测,同时交通运输部已组建专家工作组到现场指导,虎门大桥将继续封闭双向交通。

  来源:澎湃新闻

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