5月5日,廣東虎門大橋橋面發(fā)生振動的視頻在互聯(lián)網(wǎng)上瞬間刷屏。在大家印象中堅不可摧的大橋居然以40厘米左右的幅度振動,橋上經(jīng)過車輛中的乘客甚至產(chǎn)生了暈眩感,簡直是好萊塢災(zāi)難大片的現(xiàn)實版。如果再聯(lián)想到1940年11月坍塌的美國塔科馬海峽大橋,不由得讓我們“細(xì)思恐極”——大橋設(shè)計是否存在缺陷?施工中是否出現(xiàn)了嚴(yán)重失誤?虎門大橋是否有垮塌的危險?
對于這次罕見的大橋震動事故,許多橋梁工程專家第一時間給出的解釋是,橋面安裝的水馬引起了渦振。
水馬:分割路面的注水塑制障礙物。
渦振:氣流繞過結(jié)構(gòu)時,會產(chǎn)生周期性的漩渦脫落,當(dāng)這個漩渦脫落的頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率相近時,就會發(fā)生大幅度的共振。
但水馬撤除后,虎門大橋依然產(chǎn)生了規(guī)模較小的“余振”,與此同時,幾張虎門大橋吊索銹蝕斷裂的照片再次在網(wǎng)絡(luò)上瘋傳。大家不由得心生疑問,會不會是因為吊索的銹蝕引起大橋的振動?小小的水馬真的是引發(fā)大橋振動的罪魁禍?zhǔn)讍?虎門大橋的問題應(yīng)該如何解決呢?
纜索:大橋的阿克琉斯之踵
首先我們來看看第一個犯罪嫌疑人——吊索。如果吊索的斷裂要引起大橋的振動,大概只有兩種可能,一種是吊索的斷裂導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)整體剛度的下降,虎門大橋一共有數(shù)百根吊索,少數(shù)吊索的斷絲問題很難引起橋梁整體的動力特性改變,而如果大量的吊索斷裂,那虎門大橋恐怕已經(jīng)瀕臨垮塌,而不是橋面振動那么簡單了。
第二種可能,是吊索的振動引起主梁的振動。2005年7月,克羅地亞著名的杜布羅夫尼克大橋,就發(fā)生了嚴(yán)重的吊索事故,在狂暴的風(fēng)雨中,大橋的吊索放飛了自我。據(jù)推算,這座斜拉橋的斜拉索當(dāng)時的振幅達(dá)到了2.5米,拉索之間出現(xiàn)了碰撞,導(dǎo)致拉索的HDPE保護(hù)套破裂,橋塔上用來錨定拉索的高強(qiáng)螺栓脫落掉在了橋面。這一事件引起了極大的恐慌。
但是,即使是這樣大幅度的拉索振動,我們從現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)視頻中,也可以看出橋面的振動幅度很小,從而說明對于虎門大橋這樣的索承重橋梁來說,要靠吊桿(拉索)這樣的纜索振動引起主梁的振動,吊桿的振幅一定要達(dá)到很大的幅值,而這不可能不引起過往司機(jī)行人的注意,因此吊桿振動引起虎門大橋振動的說法,也基本可以排除。
那么,為什么橋梁吊索在不良天氣中會發(fā)生這么可怕的振動呢?這種振動叫做風(fēng)雨振。大家可能還有印象,中學(xué)時代化學(xué)實驗中化學(xué)老師不斷地強(qiáng)調(diào)“玻璃棒的作用是引流!”而在下雨時,大橋上一定傾斜角的拉索就會像玻璃棒一樣給雨水“引流”,雨水在拉索表面流動形成了水線。正是這種2~3毫米的水線改變了截面的形狀,改變了結(jié)構(gòu)受到的氣動力,引起了拉索的發(fā)散性振動,從而導(dǎo)致了風(fēng)雨振的發(fā)生。
如何限制纜索的振動,一直是橋梁工程領(lǐng)域的一個難題。當(dāng)纜索的振動幅度增大時,纜索的保護(hù)結(jié)構(gòu)就會破壞,橋面用來固定纜索的錨箱也會開裂,進(jìn)水,原本保護(hù)纜索的裝置直接變成了引起銹蝕的蓄水池。不過虎門大橋的吊索質(zhì)量堪稱優(yōu)良,參考國內(nèi)的類似工程,撫順市天湖大橋在通車12年后更換了吊索,江陰大橋在通車10年后就開始更換吊索?;㈤T大橋1997年建成,20年才被發(fā)現(xiàn)吊索銹蝕破壞,人家還有點小驕傲呢。
開流節(jié)源——治好虎門大橋的秘訣
空氣動力學(xué)就是如此奇妙,微不足道的水線就有可能引起拉索的大幅振動,那么橋面上堆積的眾多水馬,引起虎門大橋發(fā)生渦振,也是合情合理的推測。
塔科馬大橋的災(zāi)難過后,全球橋梁工程設(shè)計們達(dá)成了一個共識:所有的大橋都必須通過風(fēng)洞試驗來選出合理的結(jié)構(gòu)斷面,以避免各種潛在的振動問題,力圖讓風(fēng)吹過橋面時,可以像平靜的水流一樣流過?;㈤T大橋上水馬的出現(xiàn),無疑破壞了原來合理的斷面,攪亂了通過的氣流。這如同在流動的河水中憑空加入障礙物一樣,制造出了漩渦,從而導(dǎo)致大橋整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不穩(wěn)定。
事實上,類似的振動在全世界范圍內(nèi)時有發(fā)生,首先有請俄羅斯的伏爾加河大橋出場。
以及1997年的東京灣大橋。
這類的振動確實嚇人,號稱“戰(zhàn)斗民族”,膽大包天的俄羅斯,有關(guān)部門在伏爾加河大橋出現(xiàn)振動后,也不得不宣布大橋封閉五天。但是上述振動過后,檢測均證明大橋主要結(jié)構(gòu)沒有主要損傷,在加裝一定的振動控制裝置后就能保證運轉(zhuǎn)完好。
我們可以將大橋出現(xiàn)的大幅有害振動理解為,氣流中的能量輸入給了大橋,超過了所能允許的范圍。那么要解決這類問題,就要“開流節(jié)源”。
所謂開流,就是把大橋無處安放的振動能量再傳遞給其他結(jié)構(gòu),找個背鍋俠承受這些振動的能量。 土木工程中就有一位專業(yè)的背鍋俠,他的名字叫做調(diào)諧質(zhì)量阻尼器,簡稱TMD(Tuned Mass Damper)。 這里所謂的調(diào)諧,指的是將TMD的振動頻率調(diào)整得和大橋的振動頻率一樣。 不管是渦振還是其他振動,都屬于共振,也就是荷載的頻率和結(jié)構(gòu)本身的頻率一樣。 通過調(diào)諧,TMD就把收音機(jī)調(diào)到了大橋同一個頻道,當(dāng)收音機(jī)里的音樂響起,TMD就能立刻挺身而出替大橋把鍋背了。
我們可以看這個動圖,右邊的主體結(jié)構(gòu)上方附加了一個黃色的TMD,一開始TMD被固定住無法振動(背鍋),主體結(jié)構(gòu)整體振動幅度就很大。當(dāng)TMD解除固定振動以后,主體結(jié)構(gòu)的振幅就明顯減小了。附加TMD方法是一種最為通用的結(jié)構(gòu)振動控制方法,前面動圖中的三座大橋的振動都是通過附加TMD的方法解決的。
第二種方法便是“節(jié)源”,就是通過方法減少大橋振動能量的輸入。既然虎門大橋是由于形狀改變引起能量輸入的增加,那自然也就可以通過改變橋梁形狀的方法解決渦激振動。例如丹麥的大海帶橋(Storeblt suspension bridge),該橋在施工快結(jié)束時發(fā)現(xiàn)了大幅的渦激振動。通過風(fēng)洞試驗,工程師給橋面兩側(cè)設(shè)計了兩個導(dǎo)流板(Guide vanes),使橋面具有更好的流線線型,避免了旋渦脫落導(dǎo)致的渦激振動。
上述兩種方法不需要對大橋做大手術(shù),在實踐中也很好地解決了渦振問題。事實上,這些解決措施本身并不難,難點主要還是需要通過風(fēng)洞試驗進(jìn)行驗證,因此現(xiàn)在還需要多給專家們一些時間。相信假以時日,進(jìn)行適當(dāng)加固改造后,虎門大橋又可以正常投入運行。
參考文獻(xiàn)
[1] Savor Z, Radic J, Hrelja G. Cable vibrations at Dubrovnik bridge[J]. Bridge Structures, 2006, 2(2): 97-106.
[2] Telang N M, Ligozio C A, Mehrabi A B. Luling Bridge—Phase II Structural Evaluation of Luling Bridge Stay Cable Array—Tasks 1, 2, and 3[J]. Report to the Louisiana Department of Transportation and Development, State Project (700-45): 0107.
[3] Frank K H, Breen J E. Durability of Stay Cable[C]//Proceedings of the High Performance Stay Cable Systems Seminar. 2004.
[4] Fujino Y, Siringoringo D. Vibration mechanisms and controls of long-span bridges: a review[J]. Structural Engineering International, 2013, 23(3): 248-268.
[5] Larsen A, Esdahl S, Andersen J E, et al. Storeblt suspension bridge–vortex shedding excitation and mitigation by guide vanes[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2000, 88(2-3): 283-296.
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