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人类与风的搏斗:虎门大桥异常振动原因何在?
双击自动滚屏 发布者:admin 发布时间:2020-5-11 阅读:72次 【字体:

人类与风的搏斗:虎门大桥异常振动原因何在?

科普中国2020-05-09
作者:李瑞

5月5日下午两点多,广东省虎门大桥发生明显振动,专家分析认为,振动由风引起,不会影响桥梁结构安全,只是影响行车体验感和舒适性。有关单位正在对大桥进行全面检测,计划尽早开放交通。

5月5日14时许,虎门大桥悬索桥桥面发生明显振动 新闻截图

近日,虎门大桥异常振动的新闻引发了全国性的关注。在新闻报道画面中,这座大型悬索桥的晃动幅度相当大,根据专家组初步判断,这次振动是由风引起,“特定风环境,引发了桥梁涡振现象”。

这让不少人联想起曾经发生过的几起大型桥梁坍塌事故,不禁担心起它的命运来。

什么是悬索桥,它为什么对风敏感?桥梁史上因为风造成的重大灾害给了人类哪些启示?涡振是如何产生的?我们需要担心虎门大桥的命运吗?想要回答这一系列问题,我们还得从悬索桥的特点说起。

柔而不软的悬索桥

虎门大桥是一座横跨珠江的大型悬索桥,主跨长度为888米,在世界桥梁大小排名中处于50-55名的范围之内。

我们通常用主跨(桥塔间距)长度来比较大型桥梁之间的大小,主跨长度直接关系到桥梁的设计和建造难度。大型桥梁比较常见的结构形式有悬索桥和斜拉桥两种,但若按照主跨长度进行排列,世界前50长大桥中,斜拉桥仅仅占据其中5座,其余均为悬索桥。

悬索桥的优势非常明显:迄今为止,悬索桥是世界上跨越能力最大的桥梁形式,工程造价方面较经济;桥面下可以有比较高的通行空间;建造时无需在桥中间部分设置临时桥墩;对变形具有一定的适应能力,适合地质构造复杂的地区。因此,悬索桥在跨越海峡两岸的建造环境下是非常经济合理的选择。

不过,悬索桥也有如下的不足之处:首先,悬索桥具有刚度小、柔性大和阻尼小等特点,桥梁结构对风作用的敏感性强,因此在大风情况下需要暂时中断交通。这绝非桥梁本身存在质量问题,而是晃动起伏的桥面可能对行车安全构成一定的影响。基于同样的原因,悬索桥不宜作为重型铁路桥梁。另外,悬索桥的载荷集中在两座塔架上,对于塔架所处地面的土质要求很高,较软土质上的塔架地基将会非常庞大且昂贵。

虎门大桥

历史上曾经有两次著名桥梁事故,让人们对桥梁的“风敏感”有了认识。

(1)泰桥事故——风力静载荷掀翻大桥

1878年,英国苏格兰泰湾上一座跨海铁路桥拔地而起。这座3.5公里长的大桥被命名为泰桥,采用桁架结构,是当时世界上最长的桥梁。然而,这座曾让英国人骄傲的大桥寿命却只有不到两年。1979年12月28日,泰桥在一场狂风中坍塌。当时的风速达到了30米每秒以上,正在过桥的列车随着桥面桁架一同坠海。该事件造成了75人死亡的重大惨剧。

负责该桥建设的是英国当时著名的桥梁工程师,托马斯・鲍什爵士。事后展开的调查发现,他曾经对55米长的桁架大梁进行过风力载荷评估,结论是无需顾虑风力影响。之后设计方案发生了变更,大梁长度调整为了75米,但他并未及时进行风力载荷评估,反而自信的认为风力对现有的设计不会构成影响。

事故发生之后,调查委员会给出的一系列结论都认为风力载荷瞬间失稳至少是关键诱因之一。这场事故不止让鲍什爵士奋斗半生的名誉蒙羞,也让他失去了自己的女婿——后者当时恰好在失事列车上。

第一代泰桥建成时的风貌

(2)塔科马大桥事故——人类初识风力动载荷

泰桥事故让人类开始认识到风力给大桥造成的严重威胁,此后风力载荷评估一直是大桥建设过程中的基础工作之一。然而,此时的人类尚没有意识到同样是风的力量,较弱风在特定条件下同样可能让大桥面临重大灾难。

时间过去了半个世纪,1940年3月9日,塔科马大桥在美国华盛顿州西北部海湾建成通车。塔科马大桥是一座与虎门大桥同类型的悬索桥,主跨长度达到了853米,但桥身却只有双向两个车道和步行过道,加起来宽度只有11.9米。

桥梁建设过程中以及通车后,有很多建设者和路人都注意到该桥的振动幅度非常大,以至于很多人慕名开车前来就为了体验一把在桥面上颠簸的感觉。当局在随后几个月内想了很多办法以解决该问题,然而各种对策始终没有什么明确的效果。

1940年(建成当年)11月7日,风速达到了19米每秒,桥面的振动异常激烈。负责大桥风洞模型实验的华盛顿大学福克森博士和他的团队接报后赶往现场,用16毫米胶片拍下了大桥从振动失稳到最终坍塌的一系列珍贵视频。

从遗留的视频中,工程师们发现,大桥的振动模式先是桥面整体呈现正弦波形态,共有5个波峰4个波谷,周期为一分钟36次。这种振动持续了将近一小时后,忽然转变为以桥面中心为对称轴,两侧各自沿着道路中心线的扭转,周期为一分钟14次。扭转在短时间内给桥梁的承重部件造成了极为严重的毁损,最终,大桥很快从波动幅度最大的四分之一桥面处发生断裂,坠入大海。

第一代塔科马大桥坠海前的扭转

第一代塔克马大桥坠海瞬间

塔科马大桥的坠海视频时至今日仍然在网上流传。当时的人们所不理解的是,为什么在远远低于设计风速载荷的情况下,大桥会发生如此强烈的振动,直到完全失控坍塌?

以今天的眼光来看,如果说泰桥事故是因为人类缺少对自然的敬畏,那么塔科马大桥事故则是因为人类缺乏对自然规律的彻底了解。

揭开涡振谜团

塔科马大桥事故后,华盛顿州长于第二天便宣布,大桥设计合理,重建工作将马上开展。但很多业内人士对此强烈反对,他们认为在事故原因查明之前绝不能贸然重建。其中就有知名的流体动力学家,西奥多・冯・卡门。

据说他找到一个大桥的设计模型,然后放置在书桌上,用电扇向其吹风。当电扇风力达到某个“恰好”的范围内时,模型开始振动,并在风力作用下逐渐产生强烈的共振。卡门教授立刻意识到风力作用下的共振可能是大桥坍塌的主要原因。他一边组织团队在加州理工进行实验,一边联系州长,告知他如果贸然重建大桥定会重蹈覆辙。

最终,政府在舆论压力下成立了事故调查组,卡门教授也位列其中。他利用自己在流体动力学方面的深厚造诣,向建造方说明了风力造成大桥共振的可能机理,并要求建造方提出的新方案必须经过风洞测试才能考虑开工建造。

重建的两座塔科马大桥

重建之后的塔科马大桥一直通车到现在,新设计解决了共振问题,被当地居民称为“强健的格蒂”。而风力和桥梁间可能发生的共振,也已经成为了生活常识之一。

那么,话说回来,这种共振到底是如何形成的呢?

经过上面两个事故的“教育”,我们已经知道,风力对桥梁的影响,主要是两种类型,一种是所谓的静载荷(静风力),另一种是动载荷。

静载荷针对泰桥事故中类似的情形,主要是风力在桥梁上受到抵抗后,在桥梁构件上形成的侧向载荷。说是静载荷,但实际上风的形态是不断运动变化的,“静”的含义是指作用在某个结构上一段时间内的平均风力载荷。

动载荷针对塔科马大桥事故中类似的情形,主要是风力与桥梁结构间的共振作用导致的动态载荷。动载荷有很多具体种类,但其中起到最主要作用的就是此次在虎门大桥新闻中所提到的涡振。

风作为流体通过桥梁构件时,必然会从桥的两侧流过。在一定条件下,两侧的空气将形成一系列交错排列的气旋,这就是所谓的“卡门涡街”现象。其中的“街”是指流体漩涡的排列形态和街灯相似,因此看起来好像是一条涡流作为路灯的街道一般。

涡流会向其经过的流体施加侧向力,这种作用会给大桥构件带来周期变化的作用力。这里要注意风本身并不存在周期性,而是风吹过后的涡流自然形成的周期作用力。当来自涡流的周期振荡和桥面本身的挠曲振荡(桥面自身的上下振荡)发生频率重合,就会形成威力强大的共振。这就是所谓的“涡振”。

了解了涡振的原理,我们再回答塔科马大桥的案例。大桥原先的设计团队很好地考虑了静载荷对大桥的影响,据称它耐瞬间风速的强度达到了60米每秒以上。但由于受到当时的认知水平限制,在设计和建造上盲目节约成本,导致出现了一系列容易引发涡振的桥体形态或者结构。并且,由于对风力作用下桥梁振动的认识不足,也没有设置有效的制振组件,再加上当地特殊的天气条件,最终造成灾难。

既然涡振可能会对大桥造成如此大的损害,人们又如何避免涡振的产生呢?

鉴于涡振的危险性,目前的大桥设计过程中,风洞试验是非常关键的一步,它可以在结合当地气象条件的情况下,对设计方案是否容易引发共振加以判断。不过,无论多么精巧的设计都不可能完全避免涡振产生的可能性,所以,人们想到了一系列方法来让涡振的强度尽可能地衰减。

抑制涡振强度的方式大致可以分为两种类型,一种是空气力学方式,一种是构造力学方式。它们的作用对象分别是涡流和涡流产生的振动。

空气力学方式的原理非常简单,既然在某些部位可能产生涡流,那么在这些地方设置导流板,阻流板等结构,就可以对气流的流向进行有效的控制,从而减弱或者消除涡流造成的周期力。

明石海峡大桥下方的阻风板

构造力学方式以振动为主要的消除对象,它有很多种具体的实现形式,其中技术含量较高的是利用制振装置来抑制振动。这类装置依据的原理是产生与桥梁振动方向相反的振动,从而在整体上抵消振动的振幅。类似装置在高层建筑防震等领域也有大量的应用实例。

动图,制振装置(上方黄框内)效果对比 作者自制

当然,上述这些构造或者装置的有效性同样要先通过风洞试验的评估。

目前世界上最长的悬索桥是日本明石海峡大桥,它的主跨长度达到了1991米,是虎门大桥的两倍还多。这座大桥建设初期,施工方按照1比100的比例制作了长度约为40米的风洞模型,桥梁结构可能面临的涡振风险和制振措施的有效性得到了详细的评估。然而,即便如此,在风力强劲晃动明显的天气,这所大桥同样会被暂时关闭。

世界第一大悬索桥——日本明石海峡大桥 作者拍摄

我国的虎门大桥,在强风一类恶劣天气下,当然也会暂时停止通行。

虎门大桥目前情况如何?

这次造成虎门大桥桥面起伏的风其实并没有多大,不会影响桥梁结构安全,只是会影响行车体验感和舒适性,易诱发交通安全事故。所以大桥管理部门启动应急预案,联合交警部门及时采取了双向交通管制措施。

根据现有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。目前,桥面也基本恢复常态,有关单位正在对大桥进行全面检查检测,计划尽早开放交通。

我国现代化悬索桥的起步很晚,1995年12月建成汕头海湾大桥,才拉开了我国建设现代悬索桥的序幕。虎门大桥于1992年动工建设,1997年建成通车,作为标杆性的工程,当时由西南交通大学和同济大学共同进行的风洞试验结果表明,大桥的梭形风嘴扁平形钢梁,有着良好的空气动力学性能。

不过,我国的《公路桥梁抗风设计规范》经过数次改版,20多年间对于桥梁抗风的认识还在不断加深,所以虎门大桥成为第一个安装了桥梁监测系统的大桥。

尽管通过了风洞测试,但其中试验模拟的风荷载毕竟与实际的风荷载有所不同,桥梁投入使用后能否抵抗实际的风荷载还是需要时间的检验。虎门大桥的震颤设计风速大于超级台风,也经受住多次台风的洗礼,足以说明设计强度是符合要求的。

这次振动事件,新闻报道是因为桥梁近期维修,桥梁两侧连续放置水马(内部注水的大水桶,用来作为防护隔离带),影响了护栏的通透性,在特定风环境条件下,产生了涡振现象,导致梁体振动。

从现场的画面来看,虎门大桥的振动频率较高,振幅不大,这些都是涡振的典型特点。5月6日晚10时,《南方日报》发布消息称水马已完全撤除,振动趋于平息,也证明了之前的推测。但大桥恢复静止要等到应力能量完全释放,需要时间和风场改变,这也是后来在放倒水马后的晚间仍有一段时间振动存在的原因。

目前来看,虎门大桥的涡振并没有到影响桥梁寿命或者结构安全性的程度,无需对大桥的命运做过分的担心。但长期涡振会影响结构的抗疲劳能力,虎门大桥的异常振动持续了数个小时,在梁端竖向支架,抗风支座和伸缩缝等关键位置是否发生损伤仍需进行检验。这也是广东省委技术会上提出的要全面检查,确认振动原因,经过充分论证后再通车的原因。此外,通车后还要加强监测,为正在实施的维修提供依据。

风力与桥梁间的复杂作用曾经给人类带来过重大损失,无论是政府职能部门还是桥梁的建造和运维技术单位,都面临着很多技术上和管理上的挑战。但无论何时,把人民的生命财产放在第一位,都是我们决策考量的首要因素。(作者李瑞 大阪大学 建筑工程研究科 审稿荆博 中国建筑材料工业地质勘查中心)

责任编辑:李沛真

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