红星新闻:横跨大渡河,“川藏第一桥”如何在峡谷“12级台风”中屹立?
TIME:2021-05-31


近日,深圳355米高的赛格大厦连续发生晃动,有专家指出,可能是刮风引发大楼产生共振(涡振)。去年广东虎门大桥悬索桥发生桥面晃动,也是由涡振现象引起的。事件也再次引发人们对“风致振动与高层建筑”的关注,风力如何引起高层建筑振动?

在西部山区,一座钢桁梁悬索桥横跨大渡河,在峡谷紊乱的风场中经受相当于12级台风的瞬间风速。这就是被称为“川藏第一桥”的雅康高速泸定大渡河大桥。其主跨长达1100米、索塔高达188米,桥塔顶至水面高差达364米。该桥迄今已是通车运营第3个年头,如何应对复杂的风场环境?

四川省公路规划勘察设计研究院参研的“西部大跨度山区桥梁风场特性、抗风关键技术及工程应用”技术,曾获2020年度四川省科技进步一等奖。在经常狂风大作的西部山区,如何确保大桥稳稳屹立?红星新闻就此专访了四川省公路规划勘察设计研究院。

▲雅康高速泸定大渡河大桥

颤振和涡振:桥梁安全两大“杀手”

参与研究的公司董事、副总经理蒋劲松从事桥梁设计30余年,曾任公司桥梁勘察设计分院总工程师。他向红星新闻记者介绍,抗风设计主要运用于悬索桥和斜拉桥这样的大跨度、相对柔性的桥梁。风力作用下产生的风致振动——如颤振和涡振,则是影响桥梁结构安全的两大“杀手”

颤振是大跨度桥梁在极端风速下可能出现的一种风致振动现象。在风场作用下,桥梁结构的振动行为与周围风场的变化形成耦合,作为空间结构的桥梁系统,从流动的空气中不断吸收能量,从而出现发散性自激振动。颤振问题一直都是桥梁风工程研究的焦点。

这种不收敛的振动,是桥梁结构风致振动中最危险的振动形式。美国塔科马悬索桥风毁事件便是典型的颤振破坏案例,致其像麻花一样大幅扭曲,最终造成结构破坏并坍塌。

涡振则是大跨度桥梁在低风速下容易出现的一种风致振动现象。在风场作用下,当空气绕流桥梁构件后,交替脱落的涡旋引起桥梁振动。由于涡振属于较低风速区内的有限振幅振动,并非发散性振动,虽然对结构的安全影响较小,但是振动产生的不舒适感可能影响桥上车辆的行驶安全。另一方面,其日积月累的“疲劳破坏”也不容小觑!

▲雅康高速泸定大渡河大桥,首次采用了铰接式耗能型中央扣

抗风的三大“法宝”

汹涌的大渡河劈开横断山一脉,在二郎山与贡嘎山之间的崇山峻岭中奔流不息,也在四川省雅安市天全县与甘孜藏族自治州泸定县之间形成绝壁大峡谷。

蒋劲松告诉红星新闻记者,与海面上的风几乎平吹不同,大渡河峡谷之中气象多变、风场紊乱,瞬间风速能达到32.6米/秒,相当于12级台风风速。受复杂地形地貌影响,桥址区易出现大风攻角来流,也就是说风的来流方向与桥梁横断面所夹角度大。桥位处的来流主要是两岸雪山和谷底之间的温差形成的山风,山风大部分均是从上往下流动,从而使得桥位处的风攻角以负攻角居多。

除了大风攻角,大渡河桥址的风环境还具有大风向角、非均匀、非平稳共四大特性,桥梁抗风问题突出。相关研究课题从2012年便开始启动,利用了现场实测、风洞试验、数值模拟三大手段。

在风洞试验中,技术人员比照周围18平方公里的区域做成1:2000的缩尺地形模型,放到西南交通大学的民用风洞里测试,以评判大桥的抗风性能。该风洞试验将风攻角从通常的正负3度提升到正负7度。

▲雅康高速泸定大渡河大桥,部分封闭中央开槽,并在桥面板中央上、下侧设置稳定板,进行气动优化

由于钢桁架的杆件纵横交错,相互之间气动干扰强烈且复杂。来流经过钢桁架后,难以形成统一的漩涡脱落频率,泸定大渡河大桥在试验风速范围内没有发生涡激共振现象,也就是说实际结构发生涡振的可能性较低。

因而,设计人员将主要精力投向防颤振。面对“百年工程”的建设,他们试验了几十种措施,最后组合了试验验证最优的方案,运用气动措施、结构措施和机械措施三大“法宝”,以及防风预警,以保障结构抗风稳定性和车辆行驶安全

蒋劲松表示,其中最可靠的措施便是气动措施。泸定大渡河桥的设计采用了部分封闭中央开槽,并在桥面板中央上、下侧设置稳定板,进行气动优化。同时,还在侧向风较大的区域防撞护栏上方设置了防风屏障,乃保证了桥上行车的安全性和舒适性。

在结构措施方面,不同于一般悬索桥,泸定大渡河大桥首次采用了铰接式耗能型中央扣,限制主梁和主缆纵向错位,提高结构的扭转刚度,从而提高桥梁抗颤振性能,达到抗风目的。同时,防屈曲支撑的中央扣,又能在强烈地震中首先“屈服”,杆件退出工作,减少反作用力,从而保护主梁不被破坏。

所谓机械措施,则是安装辅助装置增大结构阻尼,或在结构上附加一定质量的重物来提高结构的气动稳定性,从而降低风振响应。泸定大渡河大桥则是在主梁两端各安置了两个粘滞阻尼器,当油通过节流孔时产生节流阻力,等于给桥梁装上了“安全气囊”。

该公司桥梁勘察设计分院副总工程师陶齐宇告诉红星新闻记者,常规风攻角作用下,大于90m/s的风速才可能引起泸定大渡河大桥的颤振。但目前看来,桥址现场还达不到其颤振临界风速。

▲雅康高速泸定大渡河大桥,桥面板中央上、下侧设置稳定板

知道多一点

长江上的这座桥 迎风“长出翅膀”

雅康高速泸定大渡河大桥是钢桁梁悬索桥,那么钢箱梁悬索桥又如何抗风呢?以2012年底建成通车的宜泸高速公路南溪长江大桥为例,四川省公路规划勘察设计研究院有限公司副总工程师谭邦明向红星新闻记者进行了解析说明。

南溪长江大桥是万里长江起点下的第一座现代化特大型悬索桥,主跨820米,其跨度及规模当时在四川省内位居第一,曾被誉为“蜀中第一跨”。

▲宜泸高速公路南溪长江大桥

面对长江上游山区复杂的风环境,大桥在跨中设置刚性中央扣,北索塔和南索塔各设置了一对横向抗风支座、一对纵向阻尼装置。

作为四川省首座采用钢箱梁的大跨悬索桥,该桥在国内首次采用钢管桁架横隔板、直腹板和外挂风嘴的钢箱梁结构形式。经抗风试验研究,颤振临界风速为64.1m/s,远高于47.7m/s的检验风速,结构具有较好的气动稳定性;同时,采用宽度为1.5m的分流板,将主梁的竖向涡振和扭转涡振控制在规范允许范围内。“分流板相当于一双‘翅膀’”,谭邦明打了个比方,就像机翼一样,在气流中起到稳定作用。

▲宜泸高速公路南溪长江大桥,钢箱梁长了“翅膀”——分流板

红星新闻记者还了解到,受四川省交通运输厅高速公路管理局委托,四川省公路规划勘察设计研究院有限公司开发部署了“四川省营运高速公路桥梁安全风险监管平台”,高效推进四川省营运高速公路桥梁结构安全风险监测工作。

目前,成绵复线高速公路石亭江大桥等11座桥梁完成了监测系统与平台的对接。该平台将持续升版研发,进一步提升四川省桥梁安全风险防控水平,增强公路交通防灾减灾体系韧性提供技术支撑。

红星新闻记者 严丹

(转自红星新闻:https://static.cdsb.com/micropub/Articles/202105/1ee2097981a33d339a2c520707bec4b5.html?wxopenid=oBCTzjq4x_pFDHXOdUpt606PmM2Y)

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