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科技報導

虎門大橋為什麼那麼“浪”?



每逢節假日,虎門大橋必上熱搜。不同於此前的“堵”上熱搜,昨天的虎門大橋以“奇”被熱議。 2020 年 5 月 5 日 14 時左右,虎門大橋出現了異常振動,橋面以“波浪狀”上下晃動。大橋管理部門隨即啟動應急預案,聯合交警部門採取了雙向交通管制措施。

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從 GIF 來看,可謂是橋上的人擔驚受怕,橋外的人連聲嘆 wow。

有網友調侃虎門大橋喝醉了;或是說天太熱了,大口喘氣中;有的還開玩笑稱“明天就要開始收費了,橋激動了”。

值得注意的是,4 月 26 日,武漢鸚鵡洲長江大橋橋體也出現了波浪狀晃動。與虎門大橋一樣,鸚鵡洲長江大橋亦是懸索橋。如此巧合下,橋樑波動,是懸索橋的鍋嗎?橋樑晃動的背後成因是什麼?

是懸索橋的鍋嗎?

虎門大橋建於 1992 年,投資近 30 億,全長 4588 米,是連通廣州市南沙區與東莞市虎門鎮的一座跨海大橋,同時也是我國第一座真正意義上的大規模現代化懸索橋。

資料顯示,懸索橋(Suspension Bridge)是指以通過索塔懸掛並錨固於兩岸(或橋兩端)的纜索(或鋼鏈)作為上部結構主要承重構件的橋樑,主要由懸索、索塔、錨碇、吊桿、橋面係等部分組成。

相對於其他橋樑,懸索橋可以使用較少的物質建造,且能夠跨越較長的距離,較為靈活。在水面上,懸索橋可以造得比較高,容許船在下面通過,且在造橋時無需在橋中心建立暫時的橋墩。

不過,作為一種大跨徑柔性結構,懸索橋對風的作用十分敏感,抗風穩定性是影響懸索橋設計和施工的關鍵。其中,橋樑寬跨比,風的特性等都是影響抗風性的重要因素。

中鐵四局集團市政工程有限公司總工程師周江接受《科技日報》的採訪時表示,懸索橋是一種高超靜定結構,影響抗風振能力的因素有很多。抗風設計規範的現代懸索橋,只要風力不超過設計允許範圍,其結構安全性是不用擔心的。

在虎門大橋產生波動之後,國內多名橋樑專家對橋樑進行了研判。 5 月 6 日凌晨,廣東省交通集團通報稱:

專家組初判,虎門大橋懸索橋振動主要原因是沿橋跨邊護欄連續設置水馬,改變了鋼箱樑的氣動外形,在特定風環境條件下產生橋樑渦振現象。

另外,廣東省交通集團還表示,根據現有數據和觀測到的現象分析,此次振動不會影響大橋後續使用的結構安全和耐久性。

也就是說,虎門大橋的晃動只是偶發事件,不會影響後期使用。

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水馬長這樣

橋樑設計、橋樑風工程研究專家葛耀君解釋道,由於虎門大橋在修吊桿和主纜,為了防止車撞,會在橋的兩邊放置了臨時的擋牆,俗稱“水馬”,由此改變了橋樑結構的外形。多數情況下,橋的結構是非常流線型的,加了水馬之後會變鈍,由此容易引起渦振現象。

橋樑渦振是怎麼回事?

渦振,又稱渦激振動(Vortex-Induced Vibration,VIV),是橋樑結構的一種風致振動形式。

資料顯示,橋樑渦振是一種兼有自激振動和強迫振動特性的有限振幅振動,它在一個相當大的風速範圍內,可保持渦激頻率不變,產生一種“鎖定”(lock- on)現象。

值得注意的是,引起橋樑渦振不在於風力多大,而是一種共振效應;這也就解釋了 5 日在風速不大的情況下,虎門大橋卻產生大幅振動的原因。

據中央紀委國家監委網站報導,渦激共振主要具有五方面的特徵:

  1. 一種在較低風速下發生的有限振幅振動;

  2. 只在某一風速區間內發生;

  3. 最大振幅對阻尼有很大的依賴性;

  4. 渦激響應對截面形狀的微小變化很敏感;

  5. 渦激振動可以激起彎曲振動,也可以激起扭轉振動。

同時,報導還指出,渦激振動和氣流之間會相互制衡,渦振振幅不會無限增大,因此很少會造成結構的徹底損壞。

雖然橋體不會受到損壞,但對於出行,上下擺動的橋體容易讓人產生暈眩感,存在著較大安全隱患。另外,如果振動發生的頻率高,可能會導致橋上桿件出現裂紋或疲勞破壞。

在處理渦激振動問題時,需要把流體和固體彈性系統作為一個統一的動力系統考慮,找到兩者的耦合條件。由此,為了抑制渦振,通常會通過風洞試驗選取一個合適的截面破壞漩渦脫落,以此降低渦激振動的響應。

前面提到,虎門大橋是由於設置水馬改變了鋼箱樑的氣動外形才引起了渦振現象,由此,葛耀君建議:

解決辦法就是,加了什麼拿掉什麼,短時間內或還會有振動,因為能量還沒耗散掉。

橋樑振動不少見

除了渦激振動,關於橋樑振動還存在顫振、抖振、馳振等形式,而這些都會對橋樑的正常使用造成影響,甚至嚴重情況下會對橋樑造成破壞。

在國內外記錄中,大橋晃動的實例屢見不鮮。

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圖為伏爾加格勒大橋

伏爾加格勒大橋“蛇形共振”

2010 年 5 月 19 日,伏爾加格勒過河大橋橋面突然呈波浪形翻滾。從側面看去,橋邊一段接著一段,不停地上上下下。

屆時,俄羅斯著名橋樑專家阿納托利表示,這種現象可能因風波動和負載所共振而發生。大橋振動停止後,專家檢查了橋樑各處道路和圍欄等,發現橋樑無裂紋,無損傷。

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圖為日本東京灣大橋振動場景

日本東京灣大橋“豎向渦振”

和虎門大橋一樣,東京灣大橋也曾產生過渦振。

東京灣大橋最大跨度 240m,曾在 16-17m/s 的風速下,發生豎向渦振,其晃動幅度達 50cm。

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圖為塔科馬海峽吊橋

塔科馬海峽吊橋 “振動倒塌”

塔科馬海峽吊橋跨度達 853 米,大橋建成通行四個月後,就發生了坍塌事故。

據悉,塔科馬海峽吊橋的設計師Leon Moisseiff 認為,斜拉索大橋主纜能夠化解一部分風的壓力,同時,橋墩和索塔也能夠通過傳導分散能量,由此將橋的主梁由7.6 米縮減至2.4 米。

但由於沒有預見空氣動力給橋樑帶來的共振影響,塔科馬海峽吊橋在微風情況下都會發生晃動,當風力值變大時,其晃動幅度亦會增大。

坍塌事故發生後,美國空氣動力學家 Theodore von Karman 進行了調查,發現倒塌原因在於橋面厚度不足,當吊橋自身的固有頻率和卡門渦街的振動頻率達成一致時,橋面容易產生劇烈共振。

幸運的是,虎門大橋沒有造成實質性破壞,據最新消息,橋樑專家仍在進一步排查橋樑的安全隱患。

同時,歷史的印記也在警示著後人——橋樑的安全性始終是第一位。