虎门大桥要塌了?专家:你想多了
2020-05-14 15:37

虎门大桥要塌了?专家:你想多了

本文来自微信公众号:果壳(ID:Guokr42),作者:许和平,头图来自:视觉中国


5月5日,广东虎门大桥桥面发生振动的视频在互联网上瞬间刷屏。在大家印象中坚不可摧的大桥居然以40厘米左右的幅度振动,桥上经过车辆中的乘客甚至产生了晕眩感,简直是好莱坞灾难大片的现实版。


如果再联想到1940年11月坍塌的美国塔科马海峡大桥,不由得让我们“细思恐极”——大桥设计是否存在缺陷?施工中是否出现了严重失误?虎门大桥是否有垮塌的危险?



对于这次罕见的大桥震动事故,许多桥梁工程专家第一时间给出的解释是,桥面安装的水马引起了涡振。


水马:分割路面的注水塑制障碍物。


涡振:气流绕过结构时,会产生周期性的漩涡脱落,当这个漩涡脱落的频率与结构的固有频率相近时,就会发生大幅度的共振。


但水马撤除后,虎门大桥依然产生了规模较小的“余振”,与此同时,几张虎门大桥吊索锈蚀断裂的照片再次在网络上疯传。大家不由得心生疑问,会不会是因为吊索的锈蚀引起大桥的振动?小小的水马真的是引发大桥振动的罪魁祸首吗?虎门大桥的问题应该如何解决呢?


缆索:大桥的阿克琉斯之踵


塔科马大桥:求求你们不要再艾特我了,让我静静地躺在河里吧 | www.seatletimes.com


首先我们来看看第一个犯罪嫌疑人——吊索。


如果吊索的断裂要引起大桥的振动,大概只有两种可能,一种是吊索的断裂导致了结构整体刚度的下降,虎门大桥一共有数百根吊索,少数吊索的断丝问题很难引起桥梁整体的动力特性改变,而如果大量的吊索断裂,那虎门大桥恐怕已经濒临垮塌,而不是桥面振动那么简单了。


第二种可能,是吊索的振动引起主梁的振动。


2005年7月,克罗地亚著名的杜布罗夫尼克大桥,就发生了严重的吊索事故,在狂暴的风雨中,大桥的吊索放飞了自我。据推算,这座斜拉桥的斜拉索当时的振幅达到了2.5米,拉索之间出现了碰撞,导致拉索的HDPE保护套破裂,桥塔上用来锚定拉索的高强螺栓脱落掉在了桥面。这一事件引起了极大的恐慌。


但是,即使是这样大幅度的拉索振动,我们从现有的网络视频中,也可以看出桥面的振动幅度很小,从而说明对于虎门大桥这样的索承重桥梁来说,要靠吊杆(拉索)这样的缆索振动引起主梁的振动,吊杆的振幅一定要达到很大的幅值,而这不可能不引起过往司机行人的注意,因此吊杆振动引起虎门大桥振动的说法,也基本可以排除。


杜布罗夫尼克大桥上因为拉索碰撞而损坏的拉索保护层 | 作者供图


那么,为什么桥梁吊索在不良天气中会发生这么可怕的振动呢?这种振动叫做风雨振。大家可能还有印象,中学时代化学实验中化学老师不断地强调“玻璃棒的作用是引流”。


而在下雨时,大桥上一定倾斜角的拉索就会像玻璃棒一样给雨水“引流”,雨水在拉索表面流动形成了水线。正是这种2~3毫米的水线改变了截面的形状,改变了结构受到的气动力,引起了拉索的发散性振动,从而导致了风雨振的发生。


如何限制缆索的振动,一直是桥梁工程领域的一个难题。当缆索的振动幅度增大时,缆索的保护结构就会破坏,桥面用来固定缆索的锚箱也会开裂,进水,原本保护缆索的装置直接变成了引起锈蚀的蓄水池。


不过虎门大桥的吊索质量堪称优良,参考国内的类似工程,抚顺市天湖大桥在通车12年后更换了吊索,江阴大桥在通车10年后就开始更换吊索。虎门大桥1997年建成,20年才被发现吊索锈蚀破坏,人家还有点小骄傲呢。


美国路易斯安纳州的Luling大桥,一榔头下去锚箱哗哗流泪 | 作者供图


德国汉堡科尔布兰特大桥,建成5年后吊索内钢丝就开始锈蚀断裂 | 作者供图


开流节源——治好虎门大桥的秘诀


空气动力学就是如此奇妙,微不足道的水线就有可能引起拉索的大幅振动,那么桥面上堆积的众多水马,引起虎门大桥发生涡振,也是合情合理的推测。


涡振现象模拟图,气流遇到障碍物制造出了旋涡 | 作者供图


塔科马大桥的灾难过后,全球桥梁工程设计们达成了一个共识:所有的大桥都必须通过风洞试验来选出合理的结构断面,以避免各种潜在的振动问题,力图让风吹过桥面时,可以像平静的水流一样流过。


虎门大桥上水马的出现,无疑破坏了原来合理的断面,搅乱了通过的气流。这如同在流动的河水中凭空加入障碍物一样,制造出了漩涡,从而导致大桥整体结构出现了不稳定。


进行风洞实验的大桥模型 | 作者供图


事实上,类似的振动在全世界范围内时有发生,首先有请俄罗斯的伏尔加河大桥出场。



以及1997年的东京湾大桥。



麻木了吗?再看看韩国的珍岛(Jindo)大桥。



这类的振动确实吓人,号称“战斗民族”,胆大包天的俄罗斯,有关部门在伏尔加河大桥出现振动后,也不得不宣布大桥封闭五天。但是上述振动过后,检测均证明大桥主要结构没有主要损伤,在加装一定的振动控制装置后就能保证运转完好。


我们可以将大桥出现的大幅有害振动理解为,气流中的能量输入给了大桥,超过了所能允许的范围。那么要解决这类问题,就要“开流节源”


所谓开流,就是把大桥无处安放的振动能量再传递给其他结构,找个背锅侠承受这些振动的能量。土木工程中就有一位专业的背锅侠,他的名字叫做调谐质量阻尼器,简称TMD(Tuned Mass Damper)


这里所谓的调谐,指的是将TMD的振动频率调整得和大桥的振动频率一样。不管是涡振还是其他振动,都属于共振,也就是荷载的频率和结构本身的频率一样。通过调谐,TMD就把收音机调到了大桥同一个频道,当收音机里的音乐响起,TMD就能立刻挺身而出替大桥把锅背了。



我们可以看这个动图,右边的主体结构上方附加了一个黄色的TMD,一开始TMD被固定住无法振动(背锅),主体结构整体振动幅度就很大。当TMD解除固定振动以后,主体结构的振幅就明显减小了。附加TMD方法是一种最为通用的结构振动控制方法,前面动图中的三座大桥的振动都是通过附加TMD的方法解决的。



TMD系统示意图 | 作者供图


第二种方法便是“节源”,就是通过方法减少大桥振动能量的输入。


既然虎门大桥是由于形状改变引起能量输入的增加,那自然也就可以通过改变桥梁形状的方法解决涡激振动。例如丹麦的大海带桥(Storebælt suspension bridge),该桥在施工快结束时发现了大幅的涡激振动。通过风洞试验,工程师给桥面两侧设计了两个导流板(Guide vanes),使桥面具有更好的流线线型,避免了旋涡脱落导致的涡激振动。


工程师为大海带桥加装的导流板,类似机翼的迎风截面 | 作者供图


上述两种方法不需要对大桥做大手术,在实践中也很好地解决了涡振问题。事实上,这些解决措施本身并不难,难点主要还是需要通过风洞试验进行验证,因此现在还需要多给专家们一些时间。相信假以时日,进行适当加固改造后,虎门大桥又可以正常投入运行。


参考文献

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[3]    Frank K H, Breen J E. Durability of Stay Cable[C]//Proceedings of the High Performance Stay Cable Systems Seminar. 2004.

[4]    Fujino Y, Siringoringo D. Vibration mechanisms and controls of long-span bridges: a review[J]. Structural Engineering International, 2013, 23(3): 248-268.

[5]    Larsen A, Esdahl S, Andersen J E, et al. Storebælt suspension bridge–vortex shedding excitation and mitigation by guide vanes[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2000, 88(2-3): 283-296.


本文来自微信公众号:果壳(ID:Guokr42),作者:许和平

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