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：文章通過對塔科馬大橋的風(fēng)振事故來探究風(fēng)振的原理，來概述了風(fēng)洞試驗的發(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)振動防范；塔科馬大橋 1 理論概述 建造大橋的時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，大跨度橋常常因為柔度非常大，而受風(fēng)荷載影響很大，大橋在未知的風(fēng)的作用下會產(chǎn)生十分巨大的變形以及振動。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，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)和列車荷載對橋梁的動力作用。 在國內(nèi)外關(guān)于車橋耦合振動及橋梁抗風(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。 我們有必要來探究下大橋共振的原因，我們說的大橋看成不是一個剛體并有自振，在車輛通過大橋的時候?qū)Υ髽虍a(chǎn)生壓力，大橋就會受力變形，若這個力與大橋自身的震動吻合就會產(chǎn)生共振，然而這個問題要控制在一個安全范圍內(nèi)才對大橋不至于造成破壞。 概括來講，該問題屬于氣動彈性振動問題.美國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。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，最后壓向了橋表面。由于通過的氣流由于

3、連續(xù)的被曲折就加快了它流動的速度，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。無所謂的是風(fēng)一直從板正前方吹過來，它的原因是上下方產(chǎn)生的壓力降低會導(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)生不斷地波動變化。產(chǎn)生的壓力差若加在了整個橋面之上，而且因為能夠擋住風(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)，將會最終導(dǎo)致橋面開始振動。從理論上講當(dāng)橋面經(jīng)受一定流速的氣流吹動，就不可避免地會產(chǎn)生自激振動.除此之外一個因素是某個橋墩由于流體的渦振產(chǎn)生松動，這使得橋墩產(chǎn)生周期性的振動，使橋面產(chǎn)生低頻振蕩，車橋耦合振動的概率很小，由于車輛的激勵頻率要高好多. 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程中發(fā)生輕微的擺動，這些振動常常使修筑橋的工人的頭部感到了暈眩難耐的感覺。然而橋在竣工并且通車后，情況并沒有好轉(zhuǎn)，橋身搖擺反而更加劇烈了。這個橋雖然出自大師之手，讓人驚訝的是，橋身會產(chǎn)生的振動的幅度竟然達(dá)1.5米之大，由于振幅太大，這個振動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，橋面的扭轉(zhuǎn)振幅不斷增大，最后達(dá)到35扭

5、角時，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)毀是一個震動橋梁界的轉(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)致振動的罪魁禍?zhǔn)?。那時人們對于吊橋的空氣動力學(xué)特性知道得很少，人們對狹橋的設(shè)計老是找不出瑕疵，這個災(zāi)難將打開力學(xué)的新紀(jì)元。這場災(zāi)難雖然在當(dāng)時說來是屬于難以預(yù)料的事，但它不僅僅是一次普通的事故，它將對以后工程師們進(jìn)行橋梁設(shè)計產(chǎn)生意義非凡的影響。之后橋的殘骸被用來作為測試的材料，這也使風(fēng)洞試驗得以產(chǎn)生和發(fā)展。 至今對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)洞試驗來進(jìn)行。而且對拉索以

6、及橋塔這一類比較缺乏相同類的風(fēng)洞試驗?zāi)茏鳛閰⒖嫉臉?gòu)件，則更加不能夠離開了風(fēng)洞試驗.當(dāng)前來說，橋梁風(fēng)振分析的一大缺陷是當(dāng)今的風(fēng)洞試驗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，不管振動持續(xù)多長的時間或是何種振源，而干擾共振波就能夠非常有效地減弱已有的振動波。當(dāng)前廣泛運(yùn)用的減震技術(shù)常常會與慣性有很大的關(guān)系。橋梁如果用實(shí)心的道路來鋪設(shè)，那么共振波就能夠非常容易的傳遍至整個橋長，這會使大橋產(chǎn)生無法避免的共振。但若橋面的道路能夠由各自不同的截面構(gòu)架成并且對它采用了相互層疊在一起的的板相連接而成，則其中一個

7、截面的運(yùn)動就會依靠連接板傳遞至另一個截面上，從而疊放就會產(chǎn)生一定量的摩擦力，其目的是能夠改變橋的頻率到達(dá)防止振動波的累積的效果。此法的原理就是產(chǎn)生夠大的的摩擦來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發(fā)生，還有就是增大了在豎向振動時橋所所受到的空氣阻尼。 4 結(jié)語 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)計師們從事設(shè)計大型橋梁的工作時，不但需要有多次的精密測算以及建立的模型的反復(fù)試驗，為確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全，也要潛心研究空氣動力學(xué)，學(xué)好關(guān)于減少風(fēng)振的知識，還應(yīng)考慮作用在拉索上的風(fēng)載對橋梁振動的影響。 隨著日后科技的發(fā)展，測試的各種技術(shù)以及風(fēng)洞試驗的實(shí)驗設(shè)備將會不斷革新并完善，建筑師們對紊流風(fēng)場的各種性質(zhì)的研究也將會日益的深入，從而建立起更為合理簡單的新的氣動模型將是指日可待的事。也就是說我們會逐漸攻克一個個技術(shù)上的難題，大橋以及高層建筑的風(fēng)振難題將不會困擾大家，也不會再發(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)計時應(yīng)注意的要點(diǎn)j.黑龍江科技信息，2012（