虎门大桥发生强烈振动,是因为豆腐渣工程吗?

小编的话:相信不少社友昨天都刷了“虎门大桥出现强烈振动”这则新闻,这是因为豆腐渣工程导致的吗?今天和大家详细分析一下原因——
5月5日下午14时许,虎门大桥悬索桥桥面发生明显振动,桥面振幅过大影响行车舒适性和交通安全,大桥管理部门启动应急预案,联合交警部门及时采取了双向交通管制措施。据了解,桥梁主体结构未受损,原因是涡振造成的桥梁振动。

虎门大桥振动原因详解

据知乎网友“Alex Cui”回答,这是一个非常典型的卡门涡街现象,罪魁祸首很有可能就是桥梁维护中安放的这一排水马,一种用于分割路面或形成阻挡的塑制壳体障碍物。

 

图为虎门大桥护栏边的水马

 

就是你开车经常能在路上看到的这个物体。

水马实物图

卡门涡街原理图

 

这次事故中,水马改变了大桥的共振特性,当一定速度的风吹过,不大不小,刚刚好是今天的风速8m/s,穿过大桥的气流会周期性地产生两串平行的反向旋涡,连续性的旋涡会对被绕的桥梁产生周期性浸染力,这种浸染力和大桥震动的频率接近时,就会产生共振。

共振越强,大桥摆动扭曲的幅度便会越大,好在昨天的共振不强,及时拆卸了水马,没有酿成桥毁人亡的事故。

根据现有掌握的数据和观测到的现象分析,虎门大桥悬索桥结构安全可靠,此次振动也不会影响虎门大桥悬索桥后续使用的结构安全和耐久性

但这也在一定程度上暴露出了我们在桥梁养护过程中,缺乏足够的专业人员指导,忽视了桥梁的特性。

历史上的事故

 

桥梁的共振,专业名词叫“机械共振”——每个物体都有一个特别的固有频率,当外界作用给这个物体的频率恰好等于这个固有频率时,物体就会产生超出平常的位移,形成共振。

 

重量只可能压垮桥梁,不可能导致桥梁共振。如:去年的无锡高架桥坍塌事故,就是由于重量压垮所致,而非共振。原文链接:“无锡高架桥突然坍塌谁的锅?

19世纪初,一队拿破仑的士兵在法国昂热市一座大桥迈着正步前进,走到桥中间时,桥梁突然自发地强烈颤动,随后断裂坍塌。事后经过调查,士兵的齐步走产生的频率刚好吻合了大桥的共振频率,导致了悲剧的发生。
一队士兵再重,也不至于让桥梁超重,没有超重却垮塌了,因为共振与超重无关,只与频率有关。
历史上最为著名的因共振而导致的桥梁倒塌事故当属美国的塔科马海峡吊桥事件——它既是现代桥梁建筑史上最为标志性的灾难,也成为物理学和工程学的经典研究案例。
1940年11月7日,技术人员在7:30测得风速为38英里/小时,两小时后增强至42英里/小时,而此时的塔科马海峡吊桥,桥面波浪形起伏已达1米多。疯狂的扭动使得路面一侧翘起达8.5米,倾斜达到45度。而这一切刚好被正在附近拍摄电影的团队收入镜头当中,留下了珍贵的影像。

最终,承受着大桥重量的吊索接连断裂,与120多米的大桥主体轰然坠入塔科马海峡,激起了一大片烟尘。

 
塔科马海峡吊桥倒塌后第二天,著名物理学家冯·卡门觉得此事不妥,便用一个塔科马海峡吊桥模型进行试验。结果不出他所料,塔科马海峡吊桥倒塌事件的元凶,正是“卡门涡街”引起的桥梁共振。
自此以后,土木工程界充分认识到了空气动力学对桥梁带来的影响,后面所有的大型桥梁都要在风洞中进行相关共振实验,以免产生类似事故。

现代桥梁是如何抗震的?

现代的桥梁,为了防止出现共振垮塌,都在设计时增加了阻尼设置,已经杜绝了共振垮塌的可能。

桥梁抗震的两大方法是隔震和耗能。隔震原理下的延性设计和隔震设计已经被规范收录采用,而采用耗能原理的各种阻尼器还未在规范中体现,所以我们说说阻尼器。

其实基于耗能原理的减震设计已经被建筑规范采用10多年,可以相信阻尼器和阻尼支座在桥梁上一定会有应用空间。

▲粘滞阻尼器。

根据流体运动,特别是当流体通过节流孔时会产生粘滞阻力的原理而制成的,是一种与刚度、速度相关型阻尼器。(粘滞阻尼器采用内填硅油的油缸式结构,通过活塞的往复运动带动内部硅油的流动,进而产生阻尼效果)

粘滞耗能阻尼器的研发和应用,等于给建筑或桥梁装上了"安全气囊"。在地震来临时,阻尼器最大限度吸收和消耗了地震对建筑结构的冲击能量,大大缓解了地震对建筑结构造成的冲击和破坏。

建筑结构抗震设计有如下原则:   
强柱弱梁:要求同一结点柱端截面受弯承载力总和大于梁端受弯承载力总和;

强剪弱弯:控制截面的抗剪承载力大于抗弯承载力;

强结点弱构件:梁柱结点是保证结构整体性和关键部位,要保证结点有足够的强度和刚性;

建筑结构抗震的一般原则同样适用于桥梁结构;

桥梁震害分析

桥梁上部结构由于受到墩台、支座等的隔离作用,在地震中直接受惯性力作用而破坏的实例较少,由于下部结构破坏而导致上部结构破坏则是桥梁结构破坏的主要形式,下部结构常见的破坏形式有以下几种:

  • 墩台位移使梁体由于预留搁置长度偏小,使得桥跨纵向位移超出支座长度而引起落梁破坏;

  • 支座在地震作用下由于抗剪承载力不足而破坏,导致落梁;

  • 配筋设计不当,承载力不足,引起结点部位破坏;

  • 墩柱失效引起落梁破坏;

     

虎门大桥现状
虎门大桥是中国第一座大型悬索桥,其主航道跨径888米,被誉为“中国第一跨”,桥梁结构与鹦鹉洲长江大桥相似。虎门大桥作为粤港澳大湾区关键通道,通车23年来,为粤港澳大湾区各城市互联互通和经济繁荣发展发挥了重要作用。
而与此同时,车流量的持续增长也造成这条交通大动脉不堪重负。据了解,虎门大桥的车流量由1997年建成时的日均1.84万标准车次,到最高日均17万标准车次,远超日均8万车次的设计标准,饱和度达2.1。
去年8月,虎门大桥公司相关负责人介绍称,由于虎门大桥段长时间处于超负荷运营,导致虎门大桥悬索桥、辅航道桥东引桥、太平大桥、广济2号桥、大涌桥及深湾桥等6处桥梁段存在不同程度的病害,经相关交通检测机构综合检测与评估,虎门大桥宣布部分路段限制货车及40座以上客车通行,以确保桥梁的安全畅通和平稳运营,也为分步开展病害处置和维修养护提供条件。
据省交通集团相关负责人介绍,目前虎门大桥急需保养“减压”,而随着南沙大桥的通车,大湾区再通“大动脉”,着实有效缓解了虎门大桥的车流量,也为虎门大桥日后的临时交通管制、保养检修提供了条件。
小结

 
现在我们知道了,桥梁振动是因为“卡门涡街”现象,原因是桥的两边放置了水马,和豆腐渣工程没有任何关系。
虎门大桥1992年开始建设,1997年5月通车,已经安全服务超过20年,历经考验,质量绝对过关。但此次事故之后仍然需要进行检测,以除后患。
文章的最后,小编放了两段视频,视频中专家详细地解释了这次“大桥涡振”的原因,有兴趣的社友可以看一下——
△虎门大桥为何“涡振”?专家、校长齐解惑
什么叫涡振?
虎门大桥大修办公室相关负责人回应

 

-End-

来源:本文由机械社区综合整理并撰写,转载请注明出处;资料来源:知乎网友“Alex Cui”、南方日报、央视新闻、疯狂机械控、腾讯视频等。

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