大橋風振事故原理分析以及有效防范措施舉例

趙潔茹+蔡川東

摘 要：文章通過對塔科馬大橋的風振事故來探究風振的原理，來概述了風洞試驗的發(fā)展，以及風振有效的防護措施。

關(guān)鍵詞：大橋蛇形共振；橋梁抗風；風振動防范；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，而受風荷載影響很大，大橋在未知的風的作用下會產(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-車-橋系統(tǒng)研究加大了難度。在風速較大的地區(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)及列車運行安全，必須要綜合考慮風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有相當大的阻力，因此風被橋遮擋，高強度的氣流只能從結(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。麻煩的事是若風方向隨機且不停地產(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，將會最終導(dǎo)致橋面開始振動。從理論上講當橋面經(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 橋梁風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)生了十分強烈的扭轉(zhuǎn)振動，橋面的扭轉(zhuǎn)振幅不斷增大，最后達到35°扭角時，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，塔科馬大橋的風毀是一個震動橋梁界的轉(zhuǎn)折點。事故發(fā)生后專家調(diào)查表明，從19世紀初以來已經(jīng)有10座橋梁遭到了風毀，卻未找到造成風致振動的罪魁禍首。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)的新紀元。這場災(zāi)難雖然在當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振分析仍然不能夠不借助風洞試驗來進行。而且對拉索以及橋塔這一類比較缺乏相同類的風洞試驗?zāi)茏鳛閰⒖嫉臉?gòu)件，則更加不能夠離開了風洞試驗.當前來說，橋梁風振分析的一大缺陷是當今的風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 大橋風振防護措施

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。當前廣泛運用的減震技術(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，則其中一個截面的運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)于減少風振的知識，還應(yīng)考慮作用在拉索上的風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)以及風洞試驗的實驗設(shè)備將會不斷革新并完善，建筑師們對紊流風場的各種性質(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。

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