中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團企業(yè)。
科技日報2020年5月8日訊“渦振是個‘怪東西’。其實橋上有車行走，它的渦振（渦激振動）振幅比無車情況還會小些。換句話說，虎門大橋限速通車，也安全?！?月7日，長沙，中國工程院院士陳政清一開口，就讓科技日報記者愣了一下。
近期，我國大橋似乎有點“飄”。4月26日，武漢鸚鵡洲長江大橋橋體發(fā)生波浪形晃動。9天后，廣東虎門大橋懸索橋也來了一波類似的“神晃動”，讓大橋“飄”上了熱搜。
大橋為啥如此“飄”，怎樣才能讓橋“淡定”下來？記者就此到訪湖南大學(xué)土木工程學(xué)院、風(fēng)工程試驗研究中心。
大橋“飄”得很安全 為啥人們“瘆得慌”
抖音視頻里虎門大橋的波動“大片”，著實讓人瘆得慌。不過，專家均表示，盡管大橋“飄”得明顯，但仍安全。
如何看大橋的“飄動”，陳政清認為可分“動靜”兩種角度。大橋在設(shè)計時，均會考慮結(jié)構(gòu)承載能力，即大橋滿載時最大下沉幅度。據(jù)估算，虎門大橋最大下沉幅度為2米，此次大橋“飄”幅0．5米左右。從這一靜力概念看，大橋很安全。
如此安全，為啥大橋渦振要封橋？這與“動態(tài)”指標有關(guān)。
“目前規(guī)范規(guī)定的渦振加速度，設(shè)計容許最大值為0．1個重力加速度，高于這個值的振動，會讓人感到不舒服。此次振動加速度超過了這個值，人的感受就很明顯了?！标愓褰颐亓嘶㈤T大橋渦振給人的視覺“大片感”。不過，他補充，渦振振幅不大于0．35米時，車輛也能限速通行。
同樣是“振”但風(fēng)速高低有別
讓大家害怕的還有風(fēng)速問題。無論鸚鵡洲橋還是虎門大橋，始作“風(fēng)”的風(fēng)速均不大。如此溫柔的風(fēng)，都能讓大橋“飄”起來，遇上臺風(fēng)咋辦？
湖南大學(xué)土木研究院副院長華旭剛表示，橋梁渦振從理論上不能消除，只能通過技術(shù)降振。但不等于風(fēng)速低能引發(fā)渦振的大橋就不能抵抗臺風(fēng)等暴風(fēng)侵襲，這是兩碼事。對于臺風(fēng)等高風(fēng)速產(chǎn)生的“顫振”，橋梁設(shè)計時有周密考量。
不過，關(guān)于虎門大橋渦振，尚有幾種猜測。
虎門大橋是上世紀90年代中期建設(shè)的海邊大跨度懸索橋，為箱梁結(jié)構(gòu)，橋面呈流線型，其抗風(fēng)性能理論上良好，此前也未出現(xiàn)過明顯渦振。此次出現(xiàn)，或因近期大橋施工，在橋兩側(cè)加裝全長段臨時擋板有關(guān)。
歷史上，有個著名的“小風(fēng)吹垮大橋”案例，即美國塔科馬海峽大橋在微風(fēng)中塌陷?！八岂R海峽大橋橋面呈H型，是最不能抵抗渦振的形狀?；㈤T大橋在施工中全線安裝擋板后，也就從流線型變成了H型，類似塔科馬海峽大橋橋面?！标愓逭f。
專家還有種猜測，與大橋“阻尼比”有關(guān)。通俗說，“阻尼比”類似病毒抗體，代表其抵抗大橋振動的能力。阻尼比越小，大橋抗震能力就越低?；㈤T大橋存在25年之久，是否有可能阻尼比變小，影響到抗渦振能力？
人們都在糾結(jié)溫柔的風(fēng)吹動了堅固的橋。但其實風(fēng)溫柔與否不是重點，吹的角度才有技術(shù)含量。這個技術(shù)叫“攻角”?！按禾鞛樯逗梅棚L(fēng)箏？因為氣流從下往上形成＆lsquo；攻角＆rsquo；。通常攻角不超過3度，所以風(fēng)洞試驗是按正負3度進行測試。如果刮風(fēng)攻角大于3度，就可能引起振幅高于設(shè)計振幅。”陳政清說。
風(fēng)還是溫柔的風(fēng)，只是今年“攻角”可能更大。換言之，不是刮風(fēng)就會渦振。要引起渦振的條件頗苛刻：如風(fēng)向基本和橋面正交，形成“正攻角”；風(fēng)要“平穩(wěn)”，紊流度小，而非風(fēng)速忽高忽低。
大跨度橋梁越來越多渦振 “中國問題”要重視
“我們的抗風(fēng)規(guī)范，主要針對跨度200米以內(nèi)的橋梁設(shè)計?？缍刃〉臉蛄翰淮嬖诿黠@渦振問題。但大跨度橋梁，特別是懸索橋及連續(xù)梁橋，都易遇渦振問題，因此通常采用風(fēng)洞試驗測試。”陳政清說。
全球自上世紀90年代起，就發(fā)生過多個大跨度懸浮橋的渦振。緣何今日存在這類渦振？陳政清認為，面對大跨度橋梁高階模態(tài)渦激共振，存在一個亟須解決的“中國問題”，即抗風(fēng)規(guī)范應(yīng)進一步完善，考慮大跨度橋梁的多階渦振可能性。
“渦振受風(fēng)和橋梁自身結(jié)構(gòu)影響。風(fēng)不能人為控制，但我們能從橋梁上想辦法?！标愓逭f。
辦法主要有兩種：加大阻尼比，或改變橋梁氣動形狀。國外內(nèi)大量調(diào)查研究表明，多數(shù)橋梁實際阻尼比低于規(guī)范阻尼比。因此可借助增加阻尼器來增大橋梁阻尼比。如湖南大學(xué)研究團隊考量橋梁阻尼器“長壽”因素，發(fā)明的電渦流阻尼器，能將震動轉(zhuǎn)為電力消耗掉，變相增大阻尼比。同時，在對大跨度橋梁進行風(fēng)洞試驗時，適度調(diào)低測試阻尼比。
橋梁結(jié)構(gòu)也很重要。湖南杭瑞高速動力谷大橋、矮寨橋等大跨度橋梁，均采用桁架橋結(jié)構(gòu)，抗渦振能力更強。不過，對已成型的橋梁，進行氣動外形改良也是研究熱點。這些研究包括橋位風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬、大橋動力特性識別、健康監(jiān)測系統(tǒng)升級及渦振大數(shù)據(jù)分析、大比例節(jié)段模型風(fēng)洞試驗及減振措施、風(fēng)—車—橋耦合振動分析等。
