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虎门大桥异常振动的专家解释及省长指示
时间:2020-05-07 13:29 点击次数:
2020年5月5日下午2点左右,广东虎门大桥开始异常振动,直到下午7点左右振动消失。全国各地专业人士就此展开了讨论,我们把这些能够获得的专业意见做一整理,供广大业内人士参考。
第一时间见到的专业性解释来自于同济大学葛耀君教授。见之于“中国风工程”微信群,发布时间是5月5日下午5:36。葛教授的解释,“维修施工中桥面加了1.2米的挡墙(水马),破坏了断面流线型引发涡振。挡墙正在拆除,快拆完了。”5月6日上午虎门大桥又发生了振动,振动幅度肉眼可见。为此葛耀君教授补充解释说,“设置的水马昨日已经撤掉,因此今日发生的涡振与气动外形的改变并无关系。他推测,更可能是因为桥梁的某个受力性能发生变化,或桥梁的机械阻尼、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结果。


图1 葛耀君教授在中国风工程微信群的发言截屏
关于结构阻尼变小,5月5日清华大学工程力学系向志海教授也提出了此类猜想。“不过拆掉水马后还在振动,难道低频的阻尼这么小?韩国的那座桥梁(Yi Sun-sin Bridge,2014年10月26日发生异常振动)振了一个半小时,虎门大桥振了近五个小时。”从5月6日虎门桥梁再次振动看,怀疑阻尼小是有道理的。结构阻尼是能量耗散指标,阻尼比越大,能量耗散越快;反之结构阻尼比越小能量耗散越慢。
哈尔滨工业大学深圳校区柳成荫、肖仪清和顾磊等老师等专家分析认为,现场风速达到8m/s左右,引发桥梁限幅涡振。据悉,目前,虎门大桥正在维修施工中,桥面加了1.2米高的挡墙(水马),从而破坏了断面流线型引发涡振。目前,挡墙正在拆除。
美国东北大学孙浩教授通过视频分析了虎门大桥的频谱,并解释“可以看到很多阶模态,最低的一个0.06HZ左右的有可能是相机自己的抖动,或者视频像素的一些轻微抖动,或者其他原因,也有可能是桥梁目前的状态。”有其他人怀疑0.06HZ低了。悬索桥第一阶振动模态为纵漂,第二阶为横摆(分析中往往把横摆做第一阶模态),第三阶段才到了竖向模态,可见0.06hZ确实偏低。
本君记得青马桥1377米主跨,钢桁架加劲梁,第一阶频率(横摆)0.05HZ,西堠门大桥,主跨1650米,分体扁平钢箱梁,第一阶频率0.029(0.03),而对比来看,虎门桥主跨888米,第一阶0.06HZ确实有些偏低,所以孙教授自己也认为属于其他因素造成的。随后孙浩教授课题组对分析结果进行了优化,图3。并做了补充说明:“之前发的分析结果忘记跟大家说明了,以免误解:频谱图为滤掉大幅振动后的响应图(剔除了phase较大部分),目标是为了捕捉除涡振主导模态以外的各级其他模态,所以大家看到的频谱图像是抖震的。涡振的主导频率大概在0.35Hz附近。

图2 孙浩教授初步频谱分析结果图

图3 孙浩教授细化分析后的虎门大桥频谱分析结果图
各路专家都提到了涡振,网上也纷纷转发了“冯卡门涡街”的概念解释。那么到底什么叫涡振?索支撑柔性大跨桥梁还有其他什么类型的振动?杭州鲁尔物联何显银博士给做了科普性解释:
抖振:是由风荷载来流的脉动成分引起的随机强迫振动,设计上主要通过提高结构刚度来解决。
注:风由平均风和脉动风组成,我们把风荷载分为平均风压和脉动风压。抖振现象比较容易理解,脉动风荷载与一般荷载作用在结构上的受迫振动类似。
涡振:风经过主梁断面的钝体时,在断面背后都有可能发生旋涡的交替脱落,由涡激力而引起的结构振动称为涡振。当旋涡脱落频率与结构的固有频率接近时,流体与结构间产生强烈的相互作用引起涡激共振。涡激振动的振幅很小,但长期涡振会影响结构的抗疲劳能力,设计上一般通过优化断面来解决。
注:优化断面可以降低漩涡的大小,一般来说,漩涡越小,其自身的频率越高,对柔性结构的影响越小,能量耗散的也越快。
颤振:是一种危险性的自激振动,对于柔性的大跨桥梁,当风速较大时,结构振幅较大,振动起来的桥梁结构又反过来影响空气的流场,改变空气作用力,形成了风与结构的相互作用机制,也就是我们常说的流固耦合。当空气力受结构振动的影响较大时,受振动结构反馈制约的空气作用力主要表现为一种自激力,这种发散性的桥梁自激振动称为桥梁颤振。设计上一般通过优化断面和提高主梁截面抗扭刚度来解决。
注:颤振的特点是当达到临界风速时,空气的流动速度影响或改变了不同自由度运动之间的振幅及相位关系,振动的桥梁通过气流的反馈作用而不断地从气流中获得能量,从而使振幅增大形成一种发散性的振动。

图4 缆索承重桥梁振动型式
   西南交通大学郑凯峰教授给出了最为详细的个人意见,如图5

除了各位专家给予的专业视角的解释之外,网络上传出来一个紧急召开研讨会的会议纪要,纪要显示,省长做出了指示,如下:
1、肯定专家意见,技术上没问题,但要迅速组织技术力量,拿出权威结论,第一时间汇报给省委省政府、公布结论。
2、马上成立专家组、听取资深相关单位意见,论证恢复通车。
3、全面检查,确认振动原因。
4、通车后还要加强监测,为大修提供依据。
5、吊索施工、包括之后的大修,论证施工方案,科学合理安排施工。
总体感觉,省长的指示充分认同了专家组意见,尊重科学规律,非常合理。
我们的建议如下:
(1)尽快组织专家分析5月6日涡振的发生原因,毕竟5月5日的涡振解释为水马改变了钢箱梁外形,后来的涡振还没有权威解释。
(2)桥梁做一次全面的检查,及时发现可能的构件损伤,同时对大桥动态特性进行详细测试,可以参考清华大学1997年为香港青马大桥的测试方案及详细程度。。
(3)建议对于大跨悬索和斜拉桥通车之前做详细的“原始指纹”测试,这个工作国内好像还没有做过,本君曾经为某悬索桥设计过技术方案未被业主采纳。
备注:转述的上述专家意见均没来得及征求本人同意,如有争议请尽快与我们联系,我们做出相应修改或撤稿处理。
 

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