近日，深圳355米高的賽格大廈連續(xù)發(fā)生晃動(dòng)，有專家指出，可能是刮風(fēng)引發(fā)大樓產(chǎn)生共振（渦振）。去年廣東虎門大橋懸索橋發(fā)生橋面晃動(dòng)，也是由渦振現(xiàn)象引起的。事件也再次引發(fā)人們對“風(fēng)致振動(dòng)與高層建筑”的關(guān)注，風(fēng)力如何引起高層建筑振動(dòng)？
在西部山區(qū)，一座鋼桁梁懸索橋橫跨大渡河，在峽谷紊亂的風(fēng)場中經(jīng)受相當(dāng)于12級臺(tái)風(fēng)的瞬間風(fēng)速。這就是被稱為“川藏第一橋”的雅康高速瀘定大渡河大橋。其主跨長達(dá)1100米、索塔高達(dá)188米，橋塔頂至水面高差達(dá)364米。該橋迄今已是通車運(yùn)營第3個(gè)年頭，如何應(yīng)對復(fù)雜的風(fēng)場環(huán)境？
四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院參研的“西部大跨度山區(qū)橋梁風(fēng)場特性、抗風(fēng)關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用”技術(shù)，曾獲2020年度四川省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。在經(jīng)?？耧L(fēng)大作的西部山區(qū)，如何確保大橋穩(wěn)穩(wěn)屹立？紅星新聞就此專訪了四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院。
▲雅康高速瀘定大渡河大橋
顫振和渦振：橋梁安全兩大“殺手”
參與研究的公司董事、副總經(jīng)理蔣勁松從事橋梁設(shè)計(jì)30余年，曾任公司橋梁勘察設(shè)計(jì)分院總工程師。他向紅星新聞?dòng)浾呓榻B，抗風(fēng)設(shè)計(jì)主要運(yùn)用于懸索橋和斜拉橋這樣的大跨度、相對柔性的橋梁。風(fēng)力作用下產(chǎn)生的風(fēng)致振動(dòng)——如顫振和渦振，則是影響橋梁結(jié)構(gòu)安全的兩大“殺手”。
顫振是大跨度橋梁在極端風(fēng)速下可能出現(xiàn)的一種風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象。在風(fēng)場作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)行為與周圍風(fēng)場的變化形成耦合，作為空間結(jié)構(gòu)的橋梁系統(tǒng)，從流動(dòng)的空氣中不斷吸收能量，從而出現(xiàn)發(fā)散性自激振動(dòng)。顫振問題一直都是橋梁風(fēng)工程研究的焦點(diǎn)。
這種不收斂的振動(dòng)，是橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)中最危險(xiǎn)的振動(dòng)形式。美國塔科馬懸索橋風(fēng)毀事件便是典型的顫振破壞案例，致其像麻花一樣大幅扭曲，最終造成結(jié)構(gòu)破壞并坍塌。
渦振則是大跨度橋梁在低風(fēng)速下容易出現(xiàn)的一種風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象。在風(fēng)場作用下，當(dāng)空氣繞流橋梁構(gòu)件后，交替脫落的渦旋引起橋梁振動(dòng)。由于渦振屬于較低風(fēng)速區(qū)內(nèi)的有限振幅振動(dòng)，并非發(fā)散性振動(dòng)，雖然對結(jié)構(gòu)的安全影響較小，但是振動(dòng)產(chǎn)生的不舒適感可能影響橋上車輛的行駛安全。另一方面，其日積月累的“疲勞破壞”也不容小覷！
▲雅康高速瀘定大渡河大橋，首次采用了鉸接式耗能型中央扣
抗風(fēng)的三大“法寶”
洶涌的大渡河劈開橫斷山一脈，在二郎山與貢嘎山之間的崇山峻嶺中奔流不息，也在四川省雅安市天全縣與甘孜藏族自治州瀘定縣之間形成絕壁大峽谷。
蔣勁松告訴紅星新聞?dòng)浾?，與海面上的風(fēng)幾乎平吹不同，大渡河峽谷之中氣象多變、風(fēng)場紊亂，瞬間風(fēng)速能達(dá)到32.6米/秒，相當(dāng)于12級臺(tái)風(fēng)風(fēng)速。受復(fù)雜地形地貌影響，橋址區(qū)易出現(xiàn)大風(fēng)攻角來流，也就是說風(fēng)的來流方向與橋梁橫斷面所夾角度大。橋位處的來流主要是兩岸雪山和谷底之間的溫差形成的山風(fēng)，山風(fēng)大部分均是從上往下流動(dòng)，從而使得橋位處的風(fēng)攻角以負(fù)攻角居多。
除了大風(fēng)攻角，大渡河橋址的風(fēng)環(huán)境還具有大風(fēng)向角、非均勻、非平穩(wěn)共四大特性，橋梁抗風(fēng)問題突出。相關(guān)研究課題從2012年便開始啟動(dòng)，利用了現(xiàn)場實(shí)測、風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬三大手段。
在風(fēng)洞試驗(yàn)中，技術(shù)人員比照周圍18平方公里的區(qū)域做成1：2000的縮尺地形模型，放到西南交通大學(xué)的民用風(fēng)洞里測試，以評判大橋的抗風(fēng)性能。該風(fēng)洞試驗(yàn)將風(fēng)攻角從通常的正負(fù)3度提升到正負(fù)7度。
▲雅康高速瀘定大渡河大橋，部分封閉中央開槽，并在橋面板中央上、下側(cè)設(shè)置穩(wěn)定板，進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化
由于鋼桁架的桿件縱橫交錯(cuò)，相互之間氣動(dòng)干擾強(qiáng)烈且復(fù)雜。來流經(jīng)過鋼桁架后，難以形成統(tǒng)一的漩渦脫落頻率，瀘定大渡河大橋在試驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi)沒有發(fā)生渦激共振現(xiàn)象，也就是說實(shí)際結(jié)構(gòu)發(fā)生渦振的可能性較低。
因而，設(shè)計(jì)人員將主要精力投向防顫振。面對“百年工程”的建設(shè)，他們試驗(yàn)了幾十種措施，最后組合了試驗(yàn)驗(yàn)證最優(yōu)的方案，運(yùn)用氣動(dòng)措施、結(jié)構(gòu)措施和機(jī)械措施三大“法寶”，以及防風(fēng)預(yù)警，以保障結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性和車輛行駛安全。
蔣勁松表示，其中最可靠的措施便是氣動(dòng)措施。瀘定大渡河橋的設(shè)計(jì)采用了部分封閉中央開槽，并在橋面板中央上、下側(cè)設(shè)置穩(wěn)定板，進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化。同時(shí)，還在側(cè)向風(fēng)較大的區(qū)域防撞護(hù)欄上方設(shè)置了防風(fēng)屏障，乃保證了橋上行車的安全性和舒適性。
在結(jié)構(gòu)措施方面，不同于一般懸索橋，瀘定大渡河大橋首次采用了鉸接式耗能型中央扣，限制主梁和主纜縱向錯(cuò)位，提高結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度，從而提高橋梁抗顫振性能，達(dá)到抗風(fēng)目的。同時(shí)，防屈曲支撐的中央扣，又能在強(qiáng)烈地震中首先“屈服”，桿件退出工作，減少反作用力，從而保護(hù)主梁不被破壞。
所謂機(jī)械措施，則是安裝輔助裝置增大結(jié)構(gòu)阻尼，或在結(jié)構(gòu)上附加一定質(zhì)量的重物來提高結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)穩(wěn)定性，從而降低風(fēng)振響應(yīng)。瀘定大渡河大橋則是在主梁兩端各安置了兩個(gè)粘滯阻尼器，當(dāng)油通過節(jié)流孔時(shí)產(chǎn)生節(jié)流阻力，等于給橋梁裝上了“安全氣囊”。
該公司橋梁勘察設(shè)計(jì)分院副總工程師陶齊宇告訴紅星新聞?dòng)浾?，常?guī)風(fēng)攻角作用下，大于90m/s的風(fēng)速才可能引起瀘定大渡河大橋的顫振。但目前看來，橋址現(xiàn)場還達(dá)不到其顫振臨界風(fēng)速。
▲雅康高速瀘定大渡河大橋，橋面板中央上、下側(cè)設(shè)置穩(wěn)定板
知道多一點(diǎn)
長江上的這座橋 迎風(fēng)“長出翅膀”
雅康高速瀘定大渡河大橋是鋼桁梁懸索橋，那么鋼箱梁懸索橋又如何抗風(fēng)呢？以2012年底建成通車的宜瀘高速公路南溪長江大橋?yàn)槔?，四川省公路?guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司副總工程師譚邦明向紅星新聞?dòng)浾哌M(jìn)行了解析說明。
南溪長江大橋是萬里長江起點(diǎn)下的第一座現(xiàn)代化特大型懸索橋，主跨820米，其跨度及規(guī)模當(dāng)時(shí)在四川省內(nèi)位居第一，曾被譽(yù)為“蜀中第一跨”。
▲宜瀘高速公路南溪長江大橋
面對長江上游山區(qū)復(fù)雜的風(fēng)環(huán)境，大橋在跨中設(shè)置剛性中央扣，北索塔和南索塔各設(shè)置了一對橫向抗風(fēng)支座、一對縱向阻尼裝置。
作為四川省首座采用鋼箱梁的大跨懸索橋，該橋在國內(nèi)首次采用鋼管桁架橫隔板、直腹板和外掛風(fēng)嘴的鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式。經(jīng)抗風(fēng)試驗(yàn)研究，顫振臨界風(fēng)速為64.1m/s，遠(yuǎn)高于47.7m/s的檢驗(yàn)風(fēng)速，結(jié)構(gòu)具有較好的氣動(dòng)穩(wěn)定性；同時(shí)，采用寬度為1.5m的分流板，將主梁的豎向渦振和扭轉(zhuǎn)渦振控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)?！胺至靼逑喈?dāng)于一雙‘翅膀’”，譚邦明打了個(gè)比方，就像機(jī)翼一樣，在氣流中起到穩(wěn)定作用。
▲宜瀘高速公路南溪長江大橋，鋼箱梁長了“翅膀”——分流板
紅星新聞?dòng)浾哌€了解到，受四川省交通運(yùn)輸廳高速公路管理局委托，四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司開發(fā)部署了“四川省營運(yùn)高速公路橋梁安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)管平臺(tái)”，高效推進(jìn)四川省營運(yùn)高速公路橋梁結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測工作。
目前，成綿復(fù)線高速公路石亭江大橋等11座橋梁完成了監(jiān)測系統(tǒng)與平臺(tái)的對接。該平臺(tái)將持續(xù)升版研發(fā)，進(jìn)一步提升四川省橋梁安全風(fēng)險(xiǎn)防控水平，增強(qiáng)公路交通防災(zāi)減災(zāi)體系韌性提供技術(shù)支撐。
紅星新聞?dòng)浾?嚴(yán)丹
（轉(zhuǎn)自紅星新聞：https://static.cdsb.com/micropub/Articles/202105/1ee2097981a33d339a2c520707bec4b5.html?wxopenid=oBCTzjq4x_pFDHXOdUpt606PmM2Y）
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