是什么导致了虎门大桥的振动?

是什么导致了虎门大桥的振动?2020-05-07 18:32:33 虎门大桥的振动是由什么引起的?2020-05-07 18:16:36

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1。虎门大桥简介:虎门大桥是连接广州市南沙区和中国广东省东莞市虎门镇的跨海大桥。它位于珠江狮子洋,是珠江三角洲地区环城高速公路(前身为观佛高速公路)南环线的一部分。

图1:虎门大桥地理位置

虎门大桥建设于1992年10月28日开始;1997年6月9日竣工通车;1999年4月20日通过竣工验收。该线路总长15.76公里,主桥总长4.6公里。桥面为双向六车道高速公路,设计时速120公里;项目总投资30.2亿元。

虎门大桥工程是连接珠江东西两岸和广东东西两翼的重要交通枢纽。它是贯穿深圳、珠海、香港和澳门的咽喉。随着大桥的建成,东莞、深圳和粤东至珠海、中山、江门和粤西的交通将不再需要绕行,里程将缩短120多公里,这对广东省的经济发展和珠江三角洲的腾飞具有重要意义。

图2:著名的吊桥,金门大桥

2。“广东省通信集团”6日凌晨报道了这一事件。专家组判断,虎门大桥5日发生了该桥的涡振,认为该悬索桥结构安全可靠,不会影响该桥后续使用的结构安全性和耐久性。6日凌晨,虎门大桥管理中心的实时监控图像显示,大桥仍有轻微可见振动。

图3:虎门大桥振动场景

据初步判断,虎门大桥悬索桥此次振动的主要原因是在特定的风环境条件下,由于沿桥跨边缘护栏连续安装水马,改变了钢箱梁的气动外形,导致该桥出现涡流振动现象。

低风速下大跨度悬索桥存在涡振现象,振动幅度小,不易检测。只有在特殊情况下才会产生较大的振幅,不会影响桥梁结构安全,影响驾驶体验和舒适性,容易引发交通安全事故。

图4:水马,一种塑料外壳的障碍物,用于分隔路面或形成障碍物。

目前,虎门大桥托管单位已开始紧急对大桥进行全面检查和测试,大桥继续双向封闭。交通部成立了一个专家工作组来指导现场。

3。原理分析

3.1风对桥梁的影响

在工程中,桥梁的空气动力不稳定性问题可以简单地理解为:桥梁在风荷载作用下失去保持稳定平衡的能力。空气动力失稳是大跨度桥梁施工的难点和关键。大跨度桥梁由于其细长的结构形状和柔软的结构特征,对风特别敏感。

风对桥梁结构的影响可分为静态影响和动态影响。当桥梁跨度较小时,结构刚度较大。桥梁在风中基本保持静止,风对桥梁的影响反映在静态效果上。当桥梁跨度逐渐增大时,结构刚度也随之降低,容易在风中振动。此时,风对桥梁的影响被反映为动力效应。

图5:在悬索桥动力作用下,当桥梁振幅较大时,振动结构反过来会影响风场,形成风与结构的相互作用(即自激振动)。

颤振和涡激振动是桥梁工程中广泛研究的两种自激振动,两者都会对桥梁的结构和功能产生不同程度的损伤。如何抑制颤振、涡振等气动不稳定效应一直是桥梁抗风设计中的热点和难点问题。

3.2颤振

颤振是人们认识到的最早的气动弹性现象之一,最早见于机翼颤振。颤振是指飞机的大振幅振动

“旧塔科马大桥的风灾”:1940年,美国华盛顿州的塔科马大桥因风灾被毁。该桥主跨853.4米,总长1810.56米,桥宽11.9米,梁高1.3米。经过两年的建设,于1940年7月1日竣工通车。该桥的梁设计极不合理,因为当时人们对相关的空气动力学知识没有透彻的了解。在中等风速(19m/s)下导致结构损坏。幸运的是,在大桥关闭之前,交通已经提前关闭了。据说在事故当天,一辆玖富娱乐代理将他的车停在桥上,只留下一只狗。当桥塌了,他独自跑到桥台。当地报纸用一个简洁的标题玖富娱乐玖富娱乐报道了事故,“损失:一座桥,一辆车,一只狗”。

视频:旧塔科马大桥风灾事件

颤振的本质是一种动态不稳定现象。也就是说,当风速超过桥梁所能承受的风速临界值,即临界颤振速度时,桥梁结构与周围气流形成的振动系统的阻尼在相互反馈的过程中由正值趋向于负值(这句话不被理解,也不影响读数),也就是说,桥梁从风中吸收的能量超过了阻力消耗的能量,使桥梁的振幅不断扩大,导致结构倒塌。

一般来说,桥梁跨度越大,刚度越小,越容易发生颤振。在梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥这四种主要的桥梁结构形式中,悬索桥的跨越能力最强,最容易发生颤振。

图7:斜拉桥

斜拉桥受空间索面约束。颤振临界风速通常较高,颤振问题比悬索桥小,但不可忽略。当桥梁的气动外形设计不合理时,也存在颤振的危险(如主跨为605 m的青州大桥)。然而,拱桥和梁桥由于跨度小,一般不容易颤振。

由于颤振极其危险,在桥梁施工和正常运营期间,必须严格避免颤振。旧塔科马大桥被风摧毁后,抵抗颤振的设计成为大型桥梁设计中的一个必要环节。

3.3涡旋振动

涡旋振动是一种自限振动(最大振幅受其他因素限制),具有自激(恒定稳定性和自身产生的连续振动,无需外部干预)和受迫(外力作用)特性。从流体的角度来看,任何非流线形体,在一定的恒定流速下,都会在形体的两侧交替产生旋涡,这些旋涡脱离结构的表面(指流体的旋涡),从而在结构上产生周期性的作用力。(涡流振动原理)

在某些情况下(当涡流脱落的频率与桥梁的某一模态频率一致时),桥梁将会经历相对较大的振幅振动。相关学者整理了国内外一些桥梁涡振的工程案例,发现主梁涡振的发生和振幅与桥梁类型和跨度没有直接关系。这明显不同于主要集中在大跨度索承桥梁中的颤振问题。

图8:梁桥

根据专家组判断,虎门大桥的振动为旋涡振动。虽然涡激振动具有自限性的特点,但它不会像颤振那样直接引起结构动力失稳和破坏(如桥梁倒塌),但其风速相对较低,往往在设计风速范围内。此外,大涡振动会威胁行车安全,降低结构的疲劳寿命,影响结构的正常使用性能。因此,涡激振动抑制也是桥梁风工程的关键研究内容之一。

4。目前,大多数桥梁都首选气动措施来控制颤振和涡流振动。设计合理的气动措施可以很好地解决超大跨度桥梁抗风安全储备不足的问题。然而,由于颤振和涡流振动对气动措施的形状、位置和实施细节很敏感,不适当的措施不仅不能抑制效果,甚至可能导致气动稳定性的恶化

例如,作为一种常见的颤振控制措施,稳定板已被许多学者研究。例如,润扬长江大桥的颤振性能研究表明,上稳定板的颤振控制效果优于下稳定板。然而,研究竹山大桥风阻的学者得出了相反的结论,他们发现下稳定板在颤振控制中起着决定性的作用。

图10:润扬长江大桥

这就是为什么不是所有有水车的桥都会产生漩涡振动。

在工程中,许多大型建筑物在建造前都要进行计算和风洞模型试验,并且可以提前预测风对建筑物的影响。一般来说,在对水车做这种小改动之前不会进行风洞试验,所以虎门大桥在水车改动后开始“跳舞”。然而,涡流振动本身不会对桥梁结构造成严重破坏。据推测,当桥两侧的水车被移走后,情况会有所改善,并且会有一段时间由于惯性而产生振动。(当然,因为影响桥梁振动的因素很多,这种“惯性”比我们日常生活中理解的“惯性”更复杂)。

图11:竹山大桥

到目前为止,我们已经知道虎门大桥振动的可能原因和解决方法。由于缺乏对虎门大桥的第一手资料和足够的专业知识,笔者无法做出更专业、更权威的判断,期待关宣解决虎门大桥振动的时刻。

参考文献:

李玲瑶:《基于可靠度理论的桥梁涡激振动概率性评价》

赵霖:《大跨桥梁主梁风致稳定性被动气动控制措施综述》

龚惠兴:《大跨度桥梁主梁涡激振动展向效应试验研究》

百度百科词条:虎门桥

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