虎门大桥上下起伏咋回事
两次振动均系桥梁涡振现象,有关单位正在全面检查检测
广东虎门大桥桥面在5月5日下午出现较大幅度的振动。广东省交通集团有限公司通报称,系因沿桥跨边护栏设置的水马(如图中标示出的“挡墙”)导致涡振,并于当日撤掉水马。但6日,虎门大桥的桥面又出现小幅振动。专家表示,后续的涡振与5日发生的首次涡振之间没有直接关系,具体原因还需等测量数据结果。
桥面突发明显起伏,因沿桥设置水马所致
5日14时许,虎门大桥悬索桥桥面发生明显振动。多段现场视频显示,有汽车在桥面正常行驶时,桥面突然开始起伏,波动十分明显。之后,大桥被封闭并禁止车辆通行,随后有多名工作人员在桥上展开测量工作。
广东省交通集团有限公司5月6日就此事发布情况通报,称因虎门大桥桥面振幅过大,大桥管理部门联合交警部门采取了双向交通管制措施。经专家组初步判断,本次振动主要原因,是沿桥跨边护栏连续设置水马,改变了钢箱梁的气动外形,在特定的风环境条件下,产生的桥梁涡振现象。随后,水马被撤掉。
广东省交通集团有限公司称,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,会影响行车体验感和舒适性,易诱发交通安全事故,但不影响桥梁结构安全。
“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。”上述通报称。
次日再发振动,专家称与首次无直接联系
6日上午,虎门大桥再次出现振动,幅度肉眼可见。
记者通过中国天气网查询发现,当天上午虎门大桥周边风力保持在三四级状态,整体较为平稳。
桥梁设计专家、桥梁风工程研究专家葛耀君介绍,近两日的振动均属涡振,但经与现场人员及其他桥梁专家沟通得知,6日的涡振程度,相较前一日较轻。“我还特意问他们桥面的栏杆、吊索有没有新变化,他们说大桥外观、外形都没有变化。”
葛耀君说,设置的水马5日已被撤掉,因此6日发生的涡振与气动外形的改变并无关系。他推测,更可能是因为桥的某个受力性能发生变化,或桥的机械阻尼、结构阻尼变小等因素。“后续涡振的成因,专家组依旧在等测量数据。”
6日上午11时许,广东省交通集团有限公司称,虎门大桥桥面已基本恢复常态。虎门大桥管养单位已紧急开始对大桥进行全面检查检测,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,有关单位正全力加快检测,争取尽早开放交通。
大桥发生波浪形晃动,并不鲜见时有发生
记者检索梳理发现,大桥波浪形晃动的事件时有发生。
武汉市鹦鹉洲长江大桥曾在今年4月26日出现上下波形晃动。多名网友当时途经大桥,发微博称坐在车里感觉一上一下,“就像晕车了一样”。武汉市城投集团公司当天回应称,专家研判认为,桥梁异常振动系特定风况引起,振幅在设计允许范围内,桥梁结构运行正常。
2010年5月,俄罗斯伏尔加河大桥发生“波浪式起伏”,并发出震耳欲聋的尖锐声。从视频来看,桥梁振动形式为对称竖向弯曲振动,并伴随有稍微的扭转变形。在大桥振动停止后,桥梁专家检查了桥梁各处道路和围栏等,发现桥梁无裂纹、无损伤。
此外,日本东京湾大桥也曾发生过涡振现象,在桥面的汽车上下晃动。
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涡振是风激发的振动,悬索桥易受影响
涡振背后是一种“卡门涡街效应”,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与桥梁的固有频率形成共振。
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,其中一种就是涡振。
涡振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。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,二是截面的形状尺寸,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脱落。
短期不影响结构安全,但需要长期监测
8米/秒的风速已经引发肉眼可见的振动,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18米/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。
研究发现,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。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。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。
虎门大桥动工时间是1992年,是中国第一座真正意义上的大规模现代化悬索桥。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。葛耀君指出,短期内桥梁涡振并不影响结构安全,长期上应注意检测监测。虎门大桥有一套监测系统,对桥梁的裂缝、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。本报综合报道
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