虎门大桥为啥这么“软”?

移动版  2020-05-09 13:00  来 源:网络整理  字号:

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经常共振的壹读君 | 彤 子

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在五一假期的最后一天,连接广州市南沙区与东莞市虎门镇的虎门大桥,发生了神奇的桥振。有多神奇?我们来欣赏一下当时的画面。 本文来自织梦

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身为一座钢筋水泥之桥,竟然像湖面一样做起波浪运动,还是肉眼可见的程度。这让不少外出返程的人伤透脑筋。大家在微信群里奔走相告:“今天虎门大桥好吓人,大家回程绕道吧。”

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由于虎门大桥振得太夸张,有些网友一时兴起,对虎门大桥的“桥振”给出了幽默的解释:明天就要收费了,它很激动!

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也有一些严肃的网友开始质疑大桥的质量安全问题,甚至直接给虎门大桥扣上了“豆腐渣工程”的帽子。

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那么虎门大桥是否存在安全问题呢?5月6日,交通运输部专家工作组抵达现场开展调查研讨,并给出了答案: copyright dedecms

这是桥梁的涡振。

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忽变“软体动物”的虎门大桥

涡振,对桥梁来说,是一种不常见的正常现象。 本文来自织梦

涡振全称为涡激振动(vortex-induced oscillation),是桥梁工程中常见的风致振动现象。当流体(风)经过钝体(桥体)时,在恒定流速下,会以钝体为中心,交替分离出具有对称性、周期性、持续性的漩涡

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当漩涡产生的振动频率,与桥面固有频率相同(或接近)时,就会引发桥面共振。由于该共振由漩涡而起,所以叫涡激振动。

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桥梁产生涡振,要满足两个条件: 内容来自dedecms

一是风。涡振多发生在小于25米/秒的较低风,比如这次虎门大桥“迎风飘扬”的风速只有10~12米/秒。

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二是“软”。作为超大跨径悬索桥,虎门大桥也是长、细、轻且阻尼低的柔性结构,,对气流作用超敏感。

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但虎门大桥自1997年开始投用,至今已有23年了,以前怎么不扭,最近才开始放飞自我了呢?

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专家表示,作为临时挡墙的水马改变了桥梁原有的抗风外形,是虎门大桥涡振的帮凶。 dedecms.com

水马=120cm高的临时挡墙

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当工作人员撤掉了桥上的水马,环境中风速又降低时,虎门大桥的振动幅度明显减小,但桥振并没有停止。虎门大桥大修办公室副总工程师张鑫敏解释:“涡振是有惯性的,需要慢慢消除。 织梦好,好织梦

但有媒体报导,直到5月7日上午11时许,撤除水马的虎门大桥仍有轻微振动。这就让大家更加担心虎门大桥的安全问题。

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对此,著名桥梁专家吴明远介绍:悬索桥会有两种振动,一种叫涡振,会影响使用者的舒适性的;另外一种叫颤振,会影响桥梁的安全性。虎门大桥这次发生的振动,主要是影响舒适性的涡振,对桥梁结构不会产生大的影响。

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真是这样吗?我们去看看国外那些灵异的桥振。 dedecms.com

灵异的外国桥梁事故 织梦内容管理系统

其实桥振是种很有特色的运动,不止振动形态不同,对桥梁结构造成的损伤程度也不一样。有些桥在涡振后依旧固若金汤,有些桥会出现可修复的损伤,有些桥则振到垮塌。

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与虎门大桥桥振十分相似,2010年,全长154米的俄罗斯伏尔加格勒过河大桥也曾像波浪一样上下起伏波动,并发出了震耳欲聋的声音。

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“此起彼伏”的伏尔加格勒过河大桥 织梦内容管理系统

涡振之后,专家们仔细检查了桥梁的道路、围栏、各处细节,却没有发现任何无裂纹和损伤。于是伏尔加格勒过河大桥就成了安全涡振的模范生。

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比起伏尔加格勒过河大桥的柔和桥振,日本东京湾通道桥的桥振更“硬气”,直上直下的伏波。

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“轩然大波”的东京湾道桥 本文来自织梦

日本东京湾通道桥的最大跨度240米,在16~17米/秒的风速下发生了“生硬”的桥振,最大振幅超过50厘米。学者把这种桥振定义为“竖弯涡振”,并明确指出这种上下大幅波动的涡振对桥梁结构有不良影响。后期检修人员为大桥安装了阻尼器,该桥的涡振振幅变成只有5厘米。

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但不是所有桥都这么幸运。

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位于美国华盛顿州的塔科马海峡大桥跨度为853米,是当时世界第三的悬索桥,排名仅次于乔治华盛顿大桥和金门大桥。

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自1940年7月1日通车起,仅几个星期的时间,该桥桥面就出现了随微风“起舞”的涡振现象,遇到大风时能使桥面的摆动幅度高达2米之多,被当地居民称为“舞动的格蒂”(Galloping Gertie)。

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还在涡振的塔科马海峡大桥效果图

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注意:长期、反复的涡振会导致桥梁结构“疲劳”或损伤,并埋下安全隐患。 copyright dedecms

总随风起舞的塔科马海峡大桥于竣工后的第4个月,在18米/秒的风速下,忽然产生了不可控的横向振荡和扭转,最大振幅达到8.5米。几十分钟后,塔科马海峡大桥戏剧性地坍塌了,并成为了现代桥梁失败案例中的“经典之作”。 本文来自织梦

“波涛汹涌”塔科马大桥 本文来自织梦

塔科马海峡大桥坍塌引起了学者们的关注,它的坍塌原理至今仍是学者们争辩的焦点。

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冯·卡门认为,该桥的坍塌是涡振导致的,并在1954年将此观点写入《空气动力学的发展》一书:“塔科海峡大桥的毁坏,是由周期性旋涡的共振引起的。” copyright dedecms

其他学者则认为大桥坍塌的真正原因是“气动弹性振动”(aeroelastic flutter)导致的颤振,与涡振无关。 织梦好,好织梦

气动弹性振动也是风导致的强迫振动,该振动与物体固有频率无关,振动幅度不会减弱,甚至能增强。

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气动弹性振动的振幅不会衰减,甚至会越来越强。最出名的例子是“闹鬼秋千”,在阿根廷一个游乐园里,有一个自己荡了10天之久的秋千,气动弹性振动导致秋千的振幅不能衰减,于是闹鬼秋千就成了恐怖片里的经典素材之一。

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同理,塔科马海峡大桥也在气动弹性振动的作用下越扭越high,这种横向摇摆对桥梁结构有极大的破坏作用,反复扭转后,桥身结构受到不可逆破坏,最终断裂。 本文来自织梦

除了风会导致桥梁坍塌,人类步伐的频率也是不折不扣的桥梁“杀手”。

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1831年,在英国曼彻特附近,军队齐步过桥时发生了桥面坍塌事故。
1849年,法国西部昂热市曼恩河的大桥上,266名士兵列队过桥,结果大桥突然发生断裂。导致所有士兵落水。

1906年,沙俄一支军队迈着整齐的步伐,雄赳赳、气昂昂地通过彼得堡封塔河上的爱纪毕特桥时,桥身也突然断裂。 织梦内容管理系统

这些桥本没有质量问题,但士兵齐步走时产生的频率正好与大桥的固有频率一致,导致桥的振动加强,当桥的振幅超过临界值时,桥就断裂了。

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之后,许多国家的军队多了一条规定:大队人马过桥时,要改齐走为便步走。但便步走就安全了吗?

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2000年,伦敦千禧桥第一次开放使用,数千名游客前来观光。

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当游客们穿过泰晤士河时,这座悬索桥忽然开始剧烈晃动,这导致千禧桥开业第一天就被迫关闭。

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有研究人员分析,这是行人步伐产生振动的频率大桥固有频率相似导致的结果。由于每座桥长度、宽度和材料不同,其固有频率也各不相同。无论游客数量多少,只要步伐产生的振动的频率达到大桥固有频率,少量人群也可能使大桥振动。

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所以遇到桥梁振动大家不必惊慌,桥梁振动不可怕,现在很多桥体结构都容易出现振动,振动不代表桥梁会马上垮塌,相比之下踩踏事件更可能造成伤害。遭遇桥振,请迅速有序撤离。 dedecms.com

参考资料:
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郭增伟, 赵林, 葛耀君,等. 基于桥梁断面压力分布统计特性的抑流板抑制涡振机理研究[J]. 振动与冲击, 2012(07):98-103+126.
李春光, 韩艳, 谭迪, et al. 不同交通流下车辆对桥梁涡振稳定性影响的试验研究[J]. 安全与环境学报, 2014(05):71-75.
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http://www.360doc.com/content/18/0125/12/36876524_724961816.shtml
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