突發!虎門大橋異?;蝿?!聊一聊“卡門渦街”
突發!緊急!由于風速大,虎門大橋出現搖晃。網友拍攝的現場視頻,可以看出橋面明顯起伏。為確保安全,2020年5月5日15時32分,交警已對虎門大橋進行交通管制。
突發!緊急!由于風速大,虎門大橋出現搖晃。網友拍攝的現場視頻,可以看出橋面明顯起伏。為確保安全,2020年5月5日15時32分,交警已對虎門大橋進行交通管制。
事實上,大橋“異?!倍秳踊蚧蝿拥臓顩r時有發生——這是流體力學中重要的現象“卡門渦街”。比如,2010年,俄國南部伏爾加河的大橋就曾發生波浪狀的“離奇”搖晃,當時好幾輛正行駛在橋上的車子也跟著不斷搖擺。
但是,真正讓人們意識到“卡門渦街”在建筑、橋梁、飛機制造設計以及船舶領域的重要影響,當屬美國的塔科馬海峽吊橋事件——它既是現代橋梁建筑史上最為標志性的災難,也成為物理學和工程學的經典研究案例。
據《商業內幕》報道,美國華盛頓州的塔科馬海峽吊橋(Tacoma Narrows Bridge)建于1938-1940年間,是當時僅次于金門大橋和喬治·華盛頓大橋的世界第三長吊橋。它的設計師萊昂·莫伊塞夫是美國20世紀二、三十年代懸索橋的領軍人物,也是全鋼制橋的早期推行者。
莫伊塞夫的“變形理論”廣負盛名,根據這個理論,橋梁長度越大,允許的變形也越大。正因為如此,莫伊塞夫相信自己可以把懸索橋建得比以往更輕、更細、更長,這個想法在他對塔科馬海峽大橋的設計方案中得到了充分體現。
可令莫伊塞夫沒有想到的是,大橋吊裝完成后,只要有4英里/小時的“小風”吹來,大橋主跨就會有輕微的上下起伏。甚至在建造過程中,工人就已經注意到了這座大橋出現的晃動現象。
1940年11月7日,技術人員在7:30測得風速為38英里/小時,兩小時后增強至42英里/小時,而此時的塔科馬海峽吊橋,橋面波浪形起伏已達1米多。瘋狂的扭動使得路面一側翹起達8.5米,傾斜達到45度。
最終,承受著大橋重量的吊索接連斷裂,失去了拉力的橋面就像一條發怒的蟒蛇在空中奮力掙扎。建成通車僅四個月后,120多米的大橋主體轟然墜入塔科馬海峽,激起了一大片煙塵。
據《福布斯》報道,塔科馬海峽吊橋倒塌后第二天,著名物理學家馮·卡門覺得此事不妥,便用一個塔科馬海峽吊橋模型進行試驗。結果不出他所料,塔科馬海峽吊橋倒塌事件的元兇,正是“卡門渦街”引起的橋梁共振——
在必定的風速規模內,穿過大橋的氣流會周期性地產生兩串平行的反向旋渦,連續性的旋渦會對被繞的橋梁產生周期性浸染力,這種浸染力和大橋震動的頻率接近時,就會產生共振。共振越強,大橋擺動扭曲的幅度便會越大。
當然,設計之初,為了美觀和節省投資,莫伊塞夫使用過輕的物料,并將大橋從7.6米高的鋼桁架主梁降至2.4米高的鋼板梁,也是釀成災難的原因之一。
但毫無疑問的是,塔科馬海峽吊橋為后來的橋梁設計與建造敲響了警鐘。畢竟,當時的橋梁設計界尚未認識到卡門渦街的嚴重危害,仍然是從傳統的橋梁承重等設計角度出發開展大橋的設計。此后的十年內,橋梁空氣動力和空氣彈性學出現并進一步完善。
1950年,新建的塔科馬海峽吊橋在經由嚴謹設計建造后通車運營,道床厚度增至10米,并在路面上加入氣孔,使空氣可在路面上穿越,防止卡門渦街的產生。穩穩矗立于海峽之上的它,每日通車流量高達6萬車次,因此也被稱為“強壯的格蒂”。2007年,新的平行橋通車,行車線由兩條增至4條,是現今全美國第五長的懸索橋。
2020年5月4日下午,廣東虎門大橋發生異常抖動,不少過往群眾表示整個大橋像波浪一樣“起起伏伏”地搖晃,引發熱議。
隨后,大橋管理部門封閉了大橋。下午3點32分,交通管理部門對虎門大橋進行了交通管制,提醒途經車輛繞道行駛。
據了解,相關領域專家已趕赴現場。在綜合了哈爾濱工業大學深圳校區柳成蔭、肖儀清和顧磊等老師意見后,專家分析認為,現場風速達到8m/s左右,引發橋梁限幅渦振。
據悉,因為虎門大橋正在維修施工中,橋面加了1.2米高的擋墻,從而破壞了斷面流線型引發渦振。目前,擋墻正在拆除。
橋梁渦振是一種兼有自激振動和強迫振動特性的有限振幅振動,它在一個相當大的風速范圍內,可保持渦激頻率不變,產生一種“鎖定”(lock-on)現象。橋梁渦激共振的有限振幅計算是一個十分重要但又異常困難的問題,目前國內外還沒有形成一套比較完整的橋梁渦振分析理論。
對此,我國著名橋梁結構專家葛耀君稱,虎門大橋的震動并不會對橋體的剛性結構產生影響,也在安全范圍之內。同時武漢大學土木建筑學院教授方正也表示,懸索橋在設計時會有一個抖動的安全范圍,“肉眼可見的上下起伏,也是正常的,只要在一定范圍內就不會影響行車安全”。
廣深北行61轉虎門大橋匝道全封閉,導致該路段行車緩慢1公里。
虎門大橋是廣東省境內一座連接廣州市南沙區與東莞市虎門鎮的跨海大橋,是廣深珠高速公路網的主要組成部分,因其連接珠江兩岸,溝通深圳、珠海等重要城市,是廣東沿海地區的重要交通樞紐?;㈤T大橋于1992年動工建設;1997年建成通車;1999年通過竣工驗收。
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虎門大橋系國家重點工程,多項技術曾獲創新大獎
投資近30億元的虎門大橋是國家重點工程,擁有多項國內或國際先進水平工程技術和工藝,是我國第一座真正意義上的大規?,F代化懸索橋,被認為標志著二十世紀中國橋梁建設的最高成就。
“盡管虎門大橋地處臺風多發地帶,但是在設計之初已經充分考慮這一因素,抗風系數肯定是很高的。眾所周知,橋梁安全最怕的是發生共振,但是這些因素在設計之初也都已經充分考量并避免”。深圳移步設計公司建筑設計師賈永曾長期從事橋梁設計工作,他告訴科技日報記者,“虎門大橋到現在不過20年的時間,我國的橋梁大部分都會按百年規劃來設計,所以不太可能是設計缺陷”。
虎門大橋建設期間,我國的大跨徑現代懸索橋技術可以說是空白階段,沒有現成的施工技術標準和設計規范。諸如懸索橋的設計、抗風穩定、大型鑄件的制造、簿板超寬型加勁鋼箱梁的制作與焊接、大型施工專用設備、施工架設、施工控制等都需要靠中國團隊自主設計、解決。雖然中國早期曾有大跨連續剛構橋的設計施工經驗,但面對虎門大橋的更大跨徑,還需解決設計中結構輕型化帶來的某些關鍵技術。
從后來的情況來看,中國的工程師們很好地完成了設計和建造工作,業內普遍認為虎門大橋在我國橋梁史上有特殊的地位,不僅因為它重要的地理位置,更是因為其建設規模大,結構新穎,受外界環境影響大,無論是設計還是施工均為國內首次嘗試。正因為如此,虎門大橋項目不僅獲得詹天佑土木工程大獎,更有數項技術獲廣東省科技進步獎和國家科技進步獎。
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橋梁實時監測系統不可或缺,但維護有好有壞
橋梁的安全,包括抗震和抗風都是在設計和建造中的關鍵要素。一般情況下,橋梁有輕微的晃動是正常的,但是如果幅度非常大就要引起注意。為了實時了解橋梁的安全要素,現代橋梁一般都有健康監測與評估系統。這是一套軟硬件結合的系統,對橋梁的裂縫、航道、車流量等多方面情況,進行數據采集和分析,同時對大橋的環境溫度、混凝土應力應變、震動情況、移位情況等進行實時監測預警。
業內人士告訴科技日報,虎門大橋也有一套這樣的監測系統,通過對橋的連續位移實時監測,了解橋梁結構在各種作用下的實際受力狀態和工作狀況,評價結構的力學特性和在設計荷載作用下的工作性能。同時通過對監測結果分析得到結構的振動參數,驗證結構的抗風、抗震設計,實現對大跨橋梁的安全實時監測。
值得一提的是,這位業內人士表示,建筑的監測系統維護起來并不容易,一般十年左右軟硬件都需要更新,有些項目并不一定能及時置換更新,但他也強調,橋梁監測是所有建筑中最為重要的,像虎門大橋這樣的重要樞紐監測系統應該會保持良好運轉。
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美國塔科馬海峽大橋曾被微風摧毀
對于此次虎門大橋異常抖動,一開始許多人認為是當時主橋風速過大造成的。但也有當地民眾表示當時雖然風挺大,卻也“沒有特別夸張”。
說起來,歷史上還真有風不大,但橋晃塌了的案例發生。最著名的便是美國塔科馬海峽大橋在微風中塌陷。
塔科馬海峽大橋是位于美國華盛頓州塔科馬的懸索橋。在施工時就曾發生過擺動,橋竣工通車后,搖擺得更加厲害。據說,在某些日子里,橋身上下振動的幅度竟達1.5米,使得駕駛員看不見在它前面行駛的汽車。當地民眾稱它為舞動的格蒂。1940年,在通車四個月后這座橋梁突然塌陷。據記載,當時的風速并不高,照理這樣的風速本應對大橋夠不成威脅,但大橋還是戲劇性地被微風摧毀。
這次坍塌被認為是空氣動力學和結構分析不嚴密所致,對后續的橋梁設計和建造產生深遠影響,后來所有的橋梁,無論是整體還是局部,都必須通過嚴格的數學分析和風洞測試??諝鈩恿W和共振實驗成為了建筑工程學的必修課。
虎門大橋
本文轉載自保利長大工程有限公司官網,原文首發于2009年9月10日,原標題為《虎門大橋》,不代表瞭望智庫觀點。
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概況
虎門大橋位于廣東省廣州市東南約42km,坐落于鴉片戰爭古戰場的遺址上,橫跨珠江出??跂|西兩岸,是連接珠江兩岸及粵東、粵西的重要交通樞紐,是溝通港、澳及廣東沿海的一座特大型橋梁。由跨越主航道的主跨888m的懸索橋、跨越輔航道的主跨270m的預應力混凝土連續鋼構橋和東、中、西引橋組成,還包括隧道3座,全長4606m。
橋位東、西兩岸為丘陵區,江面寬3400m,江心有三島,北為上橫擋島,南為下橫擋島,西北為大虎島;橋位屬熱帶海洋性氣候,年平均氣溫為22℃,年平均降雨量為1669mm,夏季受臺風影響;主航道水深約30m左右,輔航道水深一般為6m~10m,深槽為15m;主航道江底除巖石暗礁外,沉積有砂巖、卵石,在虎門大橋東塔以東側地基為粉砂巖和石英砂巖,西側為中細粒黑云母花崗巖;輔航道江底較平坦,表層為細砂、砂礫所覆蓋。
虎門大橋為六車道平原微丘高速公路特大橋,設計速度120km/h;橋位處20m高百年一遇10min平均最大風速值為50.2m/s,橋位處設計風速為61m/s;地震烈度六度按七度設防。通航凈空:主航道:60m × 300m(高×寬)設計通航5萬噸級。
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主橋結構
虎門大橋主航道橋為跨徑888m的單跨雙鉸加勁鋼箱梁懸索橋。橋跨布置為302+888+348.5m。
(1)索塔
索塔基礎根據不同的地質條件,東塔選用上、下分離式的群樁基礎,每個塔柱下由16根Ф2.0m的鉆孔灌注樁組成,西塔上游采用平面尺寸為12m×16m的擴大基礎,下游采用12根Ф2.0m的鉆孔灌注樁。
索塔塔身采用門式框架結構,由兩側塔柱及中間的三道系梁組成,塔柱為鋼筋混凝土空心薄壁結構,系梁為預應力混凝土空心薄壁結構。橋面以上89.86m,基頂以上147.55m,高跨比1/6。
東塔采用翻轉模板施工,西塔采用電動爬架拆翻模施工,系梁采用膺架法施工。東、西兩塔施工后跨徑差。
(2)錨碇
東、西錨碇形式均為重力式錨碇,東錨碇基礎為明挖擴大基礎,基礎下為泥質砂巖,設計摩阻系數為0.4,設計控制主纜拉力為2×172 600kN,使用混凝土4.4萬方。西錨碇為采用地下連續墻方法施工的圓形擴大基礎,基礎為花崗巖。設計摩阻系數為0.6,抗滑安全系數2.3,設計控制主纜拉力為2 x×174 400kN,使用混凝土7.5萬方。采用型鋼錨固系統。
(3)主纜和吊索
單根主纜由110束預制索股組成,在索夾處斷面直徑為678.7mm,索股平均長度為1634m,全橋共用鍍鋅高強鋼絲7638t,其中一半是使用江蘇江陰鋼絲廠研制的。80%的索股在現場制作,然后直接牽引上橋架設。索股兩端為鋅、銅合金灌注的熱鑄錨。每根主纜分四段進行防護。兩岸錨跨及主鞍座部分用抽濕技術,外露部分用纏絲、涂料等七層防護。主纜矢跨比為1/10.5。主纜索股以前錨方式直接與型鋼拉桿錨固,用鋼墊板微調長度。
吊索在全橋的布置型式為平行豎直吊索,每個吊點由四根Ф52mm的優質金屬芯鍍鋅圓股鋼絲繩組成,吊索與主纜的連接采用背騎式,吊索通過主纜上的索夾槽口騎越主纜,錨于鋼箱梁風嘴內。
(4)主索鞍、散索鞍、索夾
主索鞍、散索鞍由主(散)索鞍本體、上、下支承板、安裝板(底座)、隔板、拉桿等部件組成,主(散)索鞍本體為鑄焊組合件,由鞍槽及鞍座兩部分組成,鞍槽為鑄鋼件,鞍座為厚鋼板焊接件。主索鞍本體順橋向分成兩個半塊,以減輕吊裝重量,安裝就位后用螺栓連整體。
索夾設計成馬鞍形,每個索夾由兩個半塊鑄鋼件組成,在主纜上左右對合后以螺桿和螺母將其連成整體,緊固于主纜之上,其中高強螺栓用新研制的壓扭液壓扳手緊固,并專門制定了軸力管理規程,進行索夾摩阻模型試驗。全橋索夾分6種類型,一類為緊靠索鞍的封閉索夾,一類為邊跨主纜索夾,中跨索夾分成4類,以適應主纜與吊索之間不同的夾角。
(5)加勁鋼箱梁、支座
加勁梁截面形式為U型加勁肋正交異性板橋面的扁平閉口流線型的單箱單室截面,箱梁全寬(包括風嘴)為35.6m,梁高3.012m,橋面設2%的雙向橫披。梁的高跨比為1/295,寬跨比1/25。橋面板厚12mm,底板與斜腹板的厚度為10mm。鋼箱梁每4m設一道橫隔板?;㈤T大橋懸索橋鋼箱梁共劃分為39節段,標準段重約300t,采用卷揚機提升跨纜吊機及液壓跨纜吊機吊裝鋼箱梁,節段之間采用全斷面焊接連接。
梁端設置滾動式豎向支座及橫向抗風支座,以分別承受梁端豎向反力和水平反力。
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主要技術特點和創新點
虎門大橋懸索橋是我國第一座真正意義上的大規?,F代化懸索橋,該工程的主要新技術與創新點為:
(1)開發了一套完整的現代懸索橋結構分析程序;通過試驗研究和工程實踐,建立了系統而完整的懸索橋上部構造施工監測與控制技術;
(2)通過我國最大尺度的氣彈性風洞試驗,對施工期間與成橋后的抗風性能進行了分析,驗證了設計參數,提出了鋼箱梁拼裝過程中安全渡臺風的技術措施,保證了大橋的抗風穩定性。
(3)在國內率先采用扁平鋼箱梁節段間全焊接的結構形式,解決了在箱梁吊裝情況下的焊縫間隙調整工藝和焊接技術。
(4)首次在國內成功設計、制作、架設了每股127絲的大型預制索股及大型鑄焊組合型主、散索鞍。
(5)首次在我國橋梁基礎中采用地下連續墻防水技術,解決了懸索橋西塔基礎巖面嚴重不平的技術難題;
(6)研制出高水平的懸索橋施工專用設備,研制成功特大鋼箱梁吊裝的液壓千斤頂提升式跨纜吊機和緊纜機等
其獲獎項目如下:
(1)《 虎門大橋》榮獲第二屆詹天佑土木工程大獎。
(2)《虎門大橋CH-150型架橋機》項目獲1997年廣東省科學技術進步三等獎。
(3)《虎門大橋建設成套技術》項目2001年榮獲國家科學技術進步獎二等獎。
(4)《虎門大橋建設成套技術》項目于1999年榮獲交通部科學技術進步獎一等獎。
(5)虎門大橋榮獲1999年度交通部公路工程優質工程一等獎。
(6)虎門大橋東錨深開挖與防護技術榮獲1997年廣東省科學技術進步三等獎。
(7)液壓提升跨纜吊機榮獲1996年廣東省科學技術進步二等獎。
來源:少創科技