大橋風(fēng)振事故原理分析以及有效防范措施舉例

1、大橋風(fēng)振事故原理分析以及有效防范措施舉例 摘 要：文章通過(guò)對(duì)塔科馬大橋的風(fēng)振事故來(lái)探究風(fēng)振的原理，來(lái)概述了風(fēng)洞試驗(yàn)的發(fā)展，以及風(fēng)振有效的防護(hù)措施。 關(guān)鍵詞：大橋蛇形共振；橋梁抗風(fēng)；風(fēng)振動(dòng)防范；塔科馬大橋 1 理論概述 建造大橋的時(shí)候我們不僅僅要考慮大橋的承載能力，美觀度以及經(jīng)濟(jì)性，此外我們建造的大橋，大跨度橋常常因?yàn)槿岫确浅４?，而受風(fēng)荷載影響很大，大橋在未知的風(fēng)的作用下會(huì)產(chǎn)生十分巨大的變形以及振動(dòng)。隨著橋梁跨度的增大，非線性因素也愈加明顯，不確定的因素也就變得很大很大，這就給已經(jīng)非常復(fù)雜的風(fēng)-車-橋系統(tǒng)研究加大了難度。在風(fēng)速較大的地區(qū)比如芝加哥，修建跨江、跨海鐵路大橋時(shí)，為了確保橋梁結(jié)構(gòu)及列車

2、運(yùn)行安全，必須要綜合考慮風(fēng)和列車荷載對(duì)橋梁的動(dòng)力作用。 在國(guó)內(nèi)外關(guān)于車橋耦合振動(dòng)及橋梁抗風(fēng)研究的基礎(chǔ)上，需要考慮大跨度橋梁的幾何非線性因素。 我們有必要來(lái)探究下大橋共振的原因，我們說(shuō)的大橋看成不是一個(gè)剛體并有自振，在車輛通過(guò)大橋的時(shí)候?qū)Υ髽虍a(chǎn)生壓力，大橋就會(huì)受力變形，若這個(gè)力與大橋自身的震動(dòng)吻合就會(huì)產(chǎn)生共振，然而這個(gè)問(wèn)題要控制在一個(gè)安全范圍內(nèi)才對(duì)大橋不至于造成破壞。 概括來(lái)講，該問(wèn)題屬于氣動(dòng)彈性振動(dòng)問(wèn)題.美國(guó)的塔卡馬大橋就是這樣被垮的。原因是橋垂直方位的結(jié)構(gòu)上的板引起了橋發(fā)生一系列振動(dòng)。橋?qū)︼L(fēng)有相當(dāng)大的阻力，因此風(fēng)被橋遮擋，高強(qiáng)度的氣流只能從結(jié)構(gòu)板上方經(jīng)過(guò)，最后壓向了橋表面。由于通過(guò)的氣流由于

3、連續(xù)的被曲折就加快了它流動(dòng)的速度，由伯努利定律可知在豎直方向上結(jié)構(gòu)板的上方及下方將產(chǎn)生明顯的壓降。無(wú)所謂的是風(fēng)一直從板正前方吹過(guò)來(lái)，它的原因是上下方產(chǎn)生的壓力降低會(huì)導(dǎo)致相互的抵消。麻煩的事是若風(fēng)方向隨機(jī)且不停地產(chǎn)生變換，這將導(dǎo)致壓力產(chǎn)生不斷地波動(dòng)變化。產(chǎn)生的壓力差若加在了整個(gè)橋面之上，而且因?yàn)槟軌驌踝★L(fēng)的豎直方向的結(jié)構(gòu)板后，將產(chǎn)生渦流并且不斷的加強(qiáng)，將會(huì)最終導(dǎo)致橋面開(kāi)始振動(dòng)。從理論上講當(dāng)橋面經(jīng)受一定流速的氣流吹動(dòng)，就不可避免地會(huì)產(chǎn)生自激振動(dòng).除此之外一個(gè)因素是某個(gè)橋墩由于流體的渦振產(chǎn)生松動(dòng)，這使得橋墩產(chǎn)生周期性的振動(dòng)，使橋面產(chǎn)生低頻振蕩，車橋耦合振動(dòng)的概率很小，由于車輛的激勵(lì)頻率要高好多. 2

4、 橋梁風(fēng)致病害典型案例分析 我們舉一個(gè)非常有名的例子吧，就是著名的塔科馬大橋由于風(fēng)振產(chǎn)生的倒塌事故。塔科馬大橋常常在施工過(guò)程中發(fā)生輕微的擺動(dòng)，這些振動(dòng)常常使修筑橋的工人的頭部感到了暈眩難耐的感覺(jué)。然而橋在竣工并且通車后，情況并沒(méi)有好轉(zhuǎn)，橋身?yè)u擺反而更加劇烈了。這個(gè)橋雖然出自大師之手，讓人驚訝的是，橋身會(huì)產(chǎn)生的振動(dòng)的幅度竟然達(dá)1.5米之大，由于振幅太大，這個(gè)振動(dòng)很有趣的使得駕駛員不能夠看到在它前方正在行駛的汽車。 塔科馬橋的倒塌是一件讓人始料未及的事。1940年，在不到20米/秒的8級(jí)大風(fēng)下，華盛頓州剛剛建成不久的塔科馬峽谷懸索橋就發(fā)生了十分強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，橋面的扭轉(zhuǎn)振幅不斷增大，最后達(dá)到35扭

5、角時(shí)，事故發(fā)生了吊索被逐根拉斷，橋面繼而折斷墜入了大峽谷之中。 這次事故不是普通的事故，塔科馬大橋的風(fēng)毀是一個(gè)震動(dòng)橋梁界的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。事故發(fā)生后專家調(diào)查表明，從19世紀(jì)初以來(lái)已經(jīng)有10座橋梁遭到了風(fēng)毀，卻未找到造成風(fēng)致振動(dòng)的罪魁禍?zhǔn)?。那時(shí)人們對(duì)于吊橋的空氣動(dòng)力學(xué)特性知道得很少，人們對(duì)狹橋的設(shè)計(jì)老是找不出瑕疵，這個(gè)災(zāi)難將打開(kāi)力學(xué)的新紀(jì)元。這場(chǎng)災(zāi)難雖然在當(dāng)時(shí)說(shuō)來(lái)是屬于難以預(yù)料的事，但它不僅僅是一次普通的事故，它將對(duì)以后工程師們進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)產(chǎn)生意義非凡的影響。之后橋的殘骸被用來(lái)作為測(cè)試的材料，這也使風(fēng)洞試驗(yàn)得以產(chǎn)生和發(fā)展。 至今對(duì)大跨度的橋梁的所必要的風(fēng)振分析仍然不能夠不借助風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行。而且對(duì)拉索以

6、及橋塔這一類比較缺乏相同類的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)茏鳛閰⒖嫉臉?gòu)件，則更加不能夠離開(kāi)了風(fēng)洞試驗(yàn).當(dāng)前來(lái)說(shuō)，橋梁風(fēng)振分析的一大缺陷是當(dāng)今的風(fēng)洞試驗(yàn)不能夠提供理論分析需要的全部數(shù)據(jù)。 圖1 塔科馬大橋 3 大橋風(fēng)振防護(hù)措施 在橋中設(shè)立減震器常常用來(lái)減輕橋梁的共振效應(yīng)，它可以有效地干擾共振波，不管振動(dòng)持續(xù)多長(zhǎng)的時(shí)間或是何種振源，而干擾共振波就能夠非常有效地減弱已有的振動(dòng)波。當(dāng)前廣泛運(yùn)用的減震技術(shù)常常會(huì)與慣性有很大的關(guān)系。橋梁如果用實(shí)心的道路來(lái)鋪設(shè)，那么共振波就能夠非常容易的傳遍至整個(gè)橋長(zhǎng)，這會(huì)使大橋產(chǎn)生無(wú)法避免的共振。但若橋面的道路能夠由各自不同的截面構(gòu)架成并且對(duì)它采用了相互層疊在一起的的板相連接而成，則其中一個(gè)

7、截面的運(yùn)動(dòng)就會(huì)依靠連接板傳遞至另一個(gè)截面上，從而疊放就會(huì)產(chǎn)生一定量的摩擦力，其目的是能夠改變橋的頻率到達(dá)防止振動(dòng)波的累積的效果。此法的原理就是產(chǎn)生夠大的的摩擦來(lái)改變共振波具體的的頻率，有效地改變波頻就能夠引起兩種相異的波，從而不會(huì)相互累積那些能夠破壞橋面的力量。 還有就是可以加裝風(fēng)嘴、中央開(kāi)槽、穩(wěn)定板，使橋梁截面逐漸接近了流線型的構(gòu)造，從而避免漩渦的脫落的狀況會(huì)發(fā)生，還有就是增大了在豎向振動(dòng)時(shí)橋所所受到的空氣阻尼。 4 結(jié)語(yǔ) 值得慶幸的是塔科馬大橋坍塌事故未造成人員傷亡，但它導(dǎo)致了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，這次事故的發(fā)生告誡了那些建筑設(shè)計(jì)師們從事設(shè)計(jì)大型橋梁的工作時(shí)，不但需要有多次的精密測(cè)算以及建立的模型的反復(fù)試驗(yàn)，為確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全，也要潛心研究空氣動(dòng)力學(xué)，學(xué)好關(guān)于減少風(fēng)振的知識(shí)，還應(yīng)考慮作用在拉索上的風(fēng)載對(duì)橋梁振動(dòng)的影響。 隨著日后科技的發(fā)展，測(cè)試的各種技術(shù)以及風(fēng)洞試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備將會(huì)不斷革新并完善，建筑師們對(duì)紊流風(fēng)場(chǎng)的各種性質(zhì)的研究也將會(huì)日益的深入，從而建立起更為合理簡(jiǎn)單的新的氣動(dòng)模型將是指日可待的事。也就是說(shuō)我們會(huì)逐漸攻克一個(gè)個(gè)技術(shù)上的難題，大橋以及高層建筑的風(fēng)振難題將不會(huì)困擾大家，也不會(huì)再發(fā)生類似于塔科馬大橋倒塌的悲劇了。 參考文獻(xiàn) 1 郭豐振.淺析公路橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的要點(diǎn)j.黑龍江科技信息，2012（