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[抗风] 虎门大桥异常抖动到底怎么回事?西南交大抗风团队观点

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redflag 发表于 2020-5-30 18:31:43 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  2020年5月5日下午,广东虎门大桥发生异常抖动,引发全网关注。- c8 o5 x- ~+ P% S& R- z; k
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  5月6日上午,据"广东交通集团"微信公众号通报,广东省交通运输厅、省交通集团连夜组织国内12位知名桥梁专家召开专题视频会议进行了研判。" Z- C! x9 h" F; s2 R/ n
: `% y6 W3 `, u6 c' J# R2 E  通报称,专家组初步判断,虎门大桥悬索桥本次振动主要原因是,由于沿桥跨边护栏连续设置水马,改变了钢箱梁的气动外形,在特定风环境条件下,产生的桥梁涡振现象。
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: F0 D  w! X. b1 z  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。1 `) `. I( Q6 T- Q0 l! K
9 b7 n3 O: ]% o( x  振动发生后,大桥管理部门随即封闭大桥,并拆除两侧护栏的挡墙(水马)。不过,据@新华视点 消息,过去23个小时内,虎门大桥出现多次振动幅度增强周期。截至5月6日14点30分,虎门大桥振动情况开始减弱。
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视频截图
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  作为参加上述专题视频会议的专家之一,西南交通大学教授廖海黎及其团队曾承担港珠澳大桥所有通航孔桥和钢箱梁非通航孔桥的抗风性能研究工作,为港珠澳大桥的抗风设计,以及风致振动抑制措施提供了科学依据。  ^  {+ {+ |& n5 u8 E2 \7 C% G/ N
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  为什么虎门大桥仍未停止振动?有没有安全风险?对于诸多热点问题,廖海黎接受记者(下称"NBD")专访,作了详细解读。
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4 a6 D8 d/ q  D, v: h  虎门大桥:  \. |9 v2 L, Q9 s7 b
; S% j* d: u$ X" r  1997年建成通车的虎门大桥,是广深珠高速公路网主要组成部分,连接珠江两岸。该桥投资近30亿元,是国家重点工程,也是我国第一座大跨度钢箱梁悬索桥。其无论设计还是施工,均为国内首次尝试,在我国桥梁史上具有特殊地位,多项技术曾获创新大奖。
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图片来源:摄图网
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9 x& F. |4 D/ @: ]1 E# A4 b3 k  1.过大的振动是不正常的
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) Q8 t4 e7 F( _2 Q; R1 N$ T% m. I  NBD:虎门大桥桥梁专业人员此前回应,桥梁遇到特殊风况会晃动是正常的,一般遇到旋涡风桥面晃动比较大,您能更详细地解释一下吗?
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' F( n# Z3 D# E1 T- S  廖海黎:桥梁结构振动是正常的,不可能没有振动。不管是风的作用,还是车辆的作用都有振动,只要振动不大、人感受不到,这种振动就是无害的。
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  虎门大桥是大跨度的悬索桥,属于柔性桥梁。悬索桥柔性较大,优点是跨越能力强、跨度大,但缺点是风的作用下容易发生振动。振动是正常的,但过大的振动就是不正常的,过大的振动至少会影响行车的舒适性;如果振动太大,还会影响行车的安全性。7 {% j! h' k9 k$ N* }+ A2 F/ L2 y
; X7 B! n3 M+ T9 K6 W  2.要完全恢复静止需要时间$ s  v6 N# E3 K7 V6 C! p
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  NBD:虎门大桥昨天的异常抖动算是大幅度振动吗?有人提出,之前虎门大桥遭遇超级台风"山竹"都没晃得这么厉害,那您认为虎门大桥这次异常振动的原因是什么?" P+ ~+ w; p5 v& r+ d% d
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  廖海黎:从视频上看,振动的幅度相当不小了,属于异常振动。
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7 g% m3 E8 N7 E, K& A  昨天我们也在专家会上讨论过,现在的共识,是由于大桥这一阶段正在做吊索更换,这是一个正常维修,但更换吊索时,桥面上摆放了很多"水马",即塑料临时隔离装置。我们认为这是诱发大桥发生振动的一个原因。5 S4 B' H3 y" Y9 Y" L
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  所以这次异常振动,初步判断并非在正常运行状态下发生,而是由于临时放置的设施引起。如果撤掉水马桥梁恢复到以前的正常状态,这种异常振动应该就不会一直存在;如果涡振仍未停止,其原因可能需要有具体观测数据才能判断。一个上万吨的钢铁巨物一旦被发动起来,要完全恢复静止也是需要时间的,因为风还在不停地吹着。
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虎门大桥 图片来源:摄图网
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, @' @8 e, h' d( _% {5 ^  3.涡激振动不影响桥梁结构安全
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  NBD:国内外类似的大桥异常振动普遍吗?原因是否都是相似的?& `/ y" F7 p4 L8 D" ]) y" l# S% ~8 m
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  廖海黎:从丹麦的大海带桥,到日本东京湾桥、俄罗斯伏尔加河大桥,再到前段时间武汉的一座悬索桥——鹦鹉洲大桥晃动,不管国内还是国外,发生风致振动的报道还是有一些。9 O7 y+ w7 X  [: d0 f" c, z4 L
. x# s. K8 ]& X7 G% A* ?  U0 _  这些桥梁的振动,原因基本上都是同一类型,即涡激振动。涡激振动是风致振动的一种,其特点是在较低的风速下,如三、四、五级风,就可能发生振动。这也意味着这种振动出现的频率会比较高;涡激振动的另一个特点,是振幅有限,这种振动对桥梁结构自身的安全性不会造成影响,影响主要还是体现在对人的舒适性、行车的安全性上。5 Q. P& M, H/ C" N+ @8 {, b
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  4.不用担心虎门大桥被"吹垮"$ n% B6 r; O7 Y/ w. n
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  NBD:一些公众担心这种振动会不会越来越大,甚至演变为国外出现过的桥梁被"吹垮"的情况?, B; z3 G+ Q/ u0 W1 O. G/ C
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  廖海黎:国外的确出现过这种情况。美国的塔科马海峡吊桥1940年7月通车,4个月后就被风吹垮。该桥开始是小幅度振动,后来风越来越大、振动越来越大之后桥毁掉了。, N8 J2 m2 E( D, ~/ k$ |
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  不过,对虎门大桥应该说不担心这个问题。桥梁的风致振动有很多类型,我们比较关注的主要是两种类型的振动,一是涡激振动,另一个就是颤振。颤振是一种在很高风速下,可能破坏桥梁结构的严重振动。虎门大桥发生颤振的风速实际上比超级台风还要高。
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% i, f) d" J# ]$ U+ q3 w4 q  在美国1940年塔科马吊桥坍塌后,颤振就被作为大跨度桥梁设计中第一重要的因素来考虑,现在的科技手段能够保证桥梁在寿命期不发生颤振。所以经过专门抗风试验的大跨度桥梁,只要试验、设计和施工中没有什么失误,抗风安全性都是有充分保证的。9 d7 r/ s0 j7 K2 ^: A
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  塔科马吊桥坍塌后,世界上再没有一座桥梁因为颤振发生问题。虎门大桥当时涡激振动和颤振的试验肯定都做过,这次发生的涡激振动是非正常因素导致的偶发振动。2 J: R* V0 O& q% r4 `
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  5.对"老桥"抗风性无须担心7 K4 }8 I4 v* h" t0 W9 I; }8 s
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  NBD:虎门大桥1997年建成通车,之后桥梁的抗风设计和风致振动抑制措施还在不断向前发展。不少人关心,在那之前的"老桥"抗风性会不会相对较差?未来长期运行中是否安全?6 s+ e4 z3 C& m1 O4 `
% o, L3 V- O* _0 v  廖海黎:虎门大桥到现在已经通车20多年了,包括抗风设计技术在内的各方面技术有了长足进步,但"老桥"的抗风安全性应该不用担心。: y3 ~: Z; T$ x8 F
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  一方面,过去技术也好、认识也好,比现在肯定会有差距,但当时虎门大桥设计时,抗风能力已经能够保证桥梁安全了。后来为了让桥梁运行更安全、更好,我们还在不断做一些新技术研发。例如桥梁减振技术,应该说就比20多年前要进步了很多。# h+ R# G/ G- I3 e4 [% `3 o1 {
) ?* \% v3 |1 w& n( U/ ^  另一方面,虎门大桥是我国第一座大跨度钢箱梁悬索桥,具有里程碑意义。在那之前,我国的大桥基本上都不是悬索桥、斜拉桥等所谓的柔性桥梁,柔性桥梁在我们国家的发展,也就是近20多年的事情。2 ]; e; h6 o% ]8 B* x
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  在这之前更老的一些大桥,如1957年建成的武汉长江大桥等,都是桁架梁形式,属于梁桥。梁桥的跨度不如柔性桥大,但抗风性能却比柔性桥梁要好,所以那些"老桥"在抗风方面无须担心。
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武汉长江大桥 图片来源:摄图网
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  6.港珠澳大桥克服台风难题$ I+ p) F) h7 B/ F% W
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  NBD:那么,在桥梁抗风问题上,全球范围内是否还有什么技术瓶颈?港珠澳大桥规模更大,其抗风方面有什么突破或创新?7 |; o7 F+ K2 J+ W; R4 I* W
' _2 j0 q5 z. L9 s; m  廖海黎:现在已经开始发展超大跨度桥梁了,这对柔性桥梁的抗风提出了更高要求。
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1 Z8 K5 }) _5 e' U8 l2 S( U8 R  实际上,土耳其目前已经在建设超过2000米的悬索桥,我国也正在规划跨度超过2000米的桥梁。超大跨度悬索桥可能会带来一些新的问题,如非线性问题,这就需要在设计理论、方法、技术上都有新的发展才能够适应需求。
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  港珠澳大桥全长50多公里,整体上虽是一个很长的桥,但其中大部分都是普通的、跨度不大的桥梁,只有几座在航道上的通航孔桥属于大跨度柔性桥梁——斜拉桥。从斜拉桥的跨度对比,世界范围内这几座桥的跨度实际上又不算大了,国内外比其跨度大的斜拉桥还有不少。
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图片来源:港珠澳大桥管理局
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  但是港珠澳大桥所处的地理位置比较特殊,当地经常发生台风,所以当时这几座通航孔桥的抗风设计中需要克服一些技术难题。当时我们团队专门针对这些难题做抗风试验,对于涡激振动和颤振等,也都采取了一些技术上的措施,能够保证桥梁运行的安全和舒适性。
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