|
虎門大橋是一座橫跨珠江的鋼筋混凝土懸索結構橋，全長約4.6千米，主跨度888米，于1997年6月9日正式通車，使用22年來一直沒有發生過類似問題。但2020年5月5日下午，虎門大橋遭遇橫風，突然出現上下起伏，交警指揮立即封閉大橋，避免發生嚴重事故。 關于虎門大橋的安全問題，廣東省交通集團在5月6日已經發表聲明稱，根據專家組觀測分析已經掌握的數據，大橋的懸索結構安全可靠，此次持續了二十個小時的振動不會影響懸虎門大橋的結構使用安全和耐久性！但作為吃瓜群眾，不免有些擔心，畢竟一座鋼筋水泥大橋，晃了二十來個小時，到底是什么原因引起的，還能繼續使用嗎？ 到底是什么原因引起大橋晃動的？橋梁晃動其實不是第一次了，四月底武漢鸚鵡洲長江大橋也發生異常晃動，只不過幅度沒有虎門大橋那么大！虎門大橋的晃動幅度直接讓人想起了1940年美國塔科馬大橋坍塌事件，因此看著大橋晃動時還在橋上通過的車輛來說，實在有些后怕，但虎門大橋后果真有那么嚴重嗎？  塔科馬大橋也是結構類似的懸索橋，它在1940年7月1日通車后還沒幾個星期，橋面就開始了上下擺動，幅度最大甚至能超過1.5米，這個幅度下人員根本無法站立，此后當地政府設置了攝影機以記錄橋面擺動以供研究，最后橋梁在晃動了將近5個月后終于崩塌！而全程記錄的資料則后來被剪輯成紀錄片，成為建筑界必看的活教材！ 仔細看上下兩種起伏是不一樣的，虎門大橋是單純的上下起伏，而美國塔科馬大橋則是起伏帶扭轉，這是由同一種原因引起的兩種不同原因的振動，而破壞力也不一樣！ 虎門大橋的渦振 卡門渦街效應引發了渦振，這可以用空氣動力效應來解釋，氣流在通過有障礙物阻隔的區域時會形成渦流，而當這個障礙物的尺寸與風速恰到好處時候，氣流會在通過障礙物后的周期性漩渦脫落，對障礙物產生周期性強迫力，當這個周期接近或者等于這個建筑物的固有頻率時，就會形成共振現象！  渦振現象是非常普遍，氣流穿過障礙物大都會發生或大或小的渦流脫落現象，比如最著名的就是國際空間站曾經有張云彩被氣流帶動穿過小島時留下了一左一右的渦流脫落圖像！所以橫亙在珠江上的虎門大橋阻擋了氣流，渦振是很難避免的。  塔科馬大橋的顫振 塔科馬大橋的上下起伏是由于結構強度設計不足，本身的彈性和慣性下，再配合適當的風速導致了這個破壞力極強的顫振！我們聽到顫振一般都是戰斗機試飛時候遭遇了顫振，很少聽到大橋也會遭遇顫振，其實兩者之間并無差別，塔科馬大橋是一個長條形結構，在大面積的橫風中和機翼的空氣動力學方面模擬并無太大差異！  而最關鍵的是塔科馬大橋的設計參數，原本橋面設計厚度是7.6米，結果當地政府選擇了金門大橋的設計師輕量化設計的2.4米橋面，讓成本從1100萬美元降到了800萬美元，結果災難的種子就此埋下，因為結構強度不足，塔科馬大橋主跨長853.4米，橋寬卻只有11.9米，橋面過于狹窄，只有2.4米高的鋼梁也無法使橋身產生足夠的剛度。在19米/秒風速作用下，橋面隨著風速增加，顫振發生，振幅越來越大，最終在橋面振幅超過5米的情況下轟然倒塌，墜入了了塔科馬海峽！  為什么塔科馬大橋垮塌了呢？虎門大橋很危險嗎？未來風速增加有坍塌風險嗎？ 虎門大橋地處珠江，而且這是二十世紀末設計的，設計之初就重點考慮了風速下的卡門渦街效應引發的渦振，因此在設計上不會犯下這個錯誤的，那為什么通車二十多年都沒有渦振，這幾天就渦振了呢？主要是橋面設置了防撞的水馬所致，改變了原先吹過風洞的空氣動力性能，撤除水馬后渦振慢慢消失，已經恢復正常。 未來虎門大橋會有渦振坍塌的風險嗎？ 渦振和顫振最大的區別是渦振很難避免，也就是說看起來并不振動的大橋，其實渦振同樣在發生，主要渦振有一個范圍，超過這個范圍后，比如風速增加，渦流脫離速度頻率反而會大于共振頻率，因此振幅是收斂的，并不會持續擴大。顫振卻不一樣，隨著風速增加，塔科馬大橋隨風起舞，振幅越來越大，超過大橋結構斷裂極限時大橋就轟然倒塌了！ 因此虎門大橋的渦振并不嚴重，主要是人為改變了氣動結構所致！只要將這些改變撤銷即可恢復，當時水馬撤除后沒有立即消除振動是因為大橋巨大質量的慣性，但在沒有能量輸入的情況下，會慢慢緩解，直至我們無法感覺到。但長期的渦振需要考慮的是橋墩材料疲勞，以及橋面接縫處的損傷以及橋墩位置是否有影響，這些都有專業的測試維護工具在檢測，虎門大橋就有一套專業的系統對裂縫、航道、車流量、大橋的環境溫度、振動情況、移位情況等進行實時監測預警，所以各位可以放心！ |
|
|
