大橋有點(diǎn)“飄” 如何才能“定” 渦振“中國(guó)問題”要重視

“渦振是個(gè)‘怪東西’。其實(shí)橋上有車行走，它的渦振(渦激振動(dòng))振幅比無(wú)車情況還會(huì)小些。換句話說，虎門大橋限速通車，也安全。”5月7日，長(zhǎng)沙，中國(guó)工程院院士陳政清一開口，就讓科技日?qǐng)?bào)記者愣了一下。

近期，我國(guó)大橋似乎有點(diǎn)“飄”。4月26日，武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋橋體發(fā)生波浪形晃動(dòng)。9天后，廣東虎門大橋懸索橋也來(lái)了一波類似的“神晃動(dòng)”，讓大橋“飄”上了熱搜。

大橋?yàn)樯度绱?ldquo;飄”，怎樣才能讓橋“淡定”下來(lái)?記者就此到訪湖南大學(xué)土木工程學(xué)院、風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心。

大橋“飄”得很安全 為啥人們“瘆得慌”

抖音視頻里虎門大橋的波動(dòng)“大片”，著實(shí)讓人瘆得慌。不過，專家均表示，盡管大橋“飄”得明顯，但仍安全。

如何看大橋的“飄動(dòng)”，陳政清認(rèn)為可分“動(dòng)靜”兩種角度。大橋在設(shè)計(jì)時(shí)，均會(huì)考慮結(jié)構(gòu)承載能力，即大橋滿載時(shí)最大下沉幅度。據(jù)估算，虎門大橋最大下沉幅度為2米，此次大橋“飄”幅0.5米左右。從這一靜力概念看，大橋很安全。

如此安全，為啥大橋渦振要封橋?這與“動(dòng)態(tài)”指標(biāo)有關(guān)。

“目前規(guī)范規(guī)定的渦振加速度，設(shè)計(jì)容許最大值為0.1個(gè)重力加速度，高于這個(gè)值的振動(dòng)，會(huì)讓人感到不舒服。此次振動(dòng)加速度超過了這個(gè)值，人的感受就很明顯了。”陳政清揭秘了虎門大橋渦振給人的視覺“大片感”。不過，他補(bǔ)充，渦振振幅不大于0.35米時(shí)，車輛也能限速通行。

同樣是“振” 但風(fēng)速高低有別

讓大家害怕的還有風(fēng)速問題。無(wú)論鸚鵡洲橋還是虎門大橋，始作“風(fēng)”的風(fēng)速均不大。如此溫柔的風(fēng)，都能讓大橋“飄”起來(lái)，遇上臺(tái)風(fēng)咋辦?

湖南大學(xué)土木研究院副院長(zhǎng)華旭剛表示，橋梁渦振從理論上不能消除，只能通過技術(shù)降振。但不等于風(fēng)速低能引發(fā)渦振的大橋就不能抵抗臺(tái)風(fēng)等暴風(fēng)侵襲，這是兩碼事。對(duì)于臺(tái)風(fēng)等高風(fēng)速產(chǎn)生的“顫振”，橋梁設(shè)計(jì)時(shí)有周密考量。

不過，關(guān)于虎門大橋渦振，尚有幾種猜測(cè)。

虎門大橋是上世紀(jì)90年代中期建設(shè)的海邊大跨度懸索橋，為箱梁結(jié)構(gòu)，橋面呈流線型，其抗風(fēng)性能理論上良好，此前也未出現(xiàn)過明顯渦振。此次出現(xiàn)，或因近期大橋施工，在橋兩側(cè)加裝全長(zhǎng)段臨時(shí)擋板有關(guān)。

歷史上，有個(gè)著名的“小風(fēng)吹垮大橋”案例，即美國(guó)塔科馬海峽大橋在微風(fēng)中塌陷。“塔科馬海峽大橋橋面呈H型，是最不能抵抗渦振的形狀?；㈤T大橋在施工中全線安裝擋板后，也就從流線型變成了H型，類似塔科馬海峽大橋橋面。”陳政清說。

專家還有種猜測(cè)，與大橋“阻尼比”有關(guān)。通俗說，“阻尼比”類似病毒抗體，代表其抵抗大橋振動(dòng)的能力。阻尼比越小，大橋抗震能力就越低?；㈤T大橋存在25年之久，是否有可能阻尼比變小，影響到抗渦振能力?

人們都在糾結(jié)溫柔的風(fēng)吹動(dòng)了堅(jiān)固的橋。但其實(shí)風(fēng)溫柔與否不是重點(diǎn)，吹的角度才有技術(shù)含量。這個(gè)技術(shù)叫“攻角”。“春天為啥好放風(fēng)箏?因?yàn)闅饬鲝南峦闲纬?lsquo;攻角’。通常攻角不超過3度，所以風(fēng)洞試驗(yàn)是按正負(fù)3度進(jìn)行測(cè)試。如果刮風(fēng)攻角大于3度，就可能引起振幅高于設(shè)計(jì)振幅。”陳政清說。

風(fēng)還是溫柔的風(fēng)，只是今年“攻角”可能更大。換言之，不是刮風(fēng)就會(huì)渦振。要引起渦振的條件頗苛刻：如風(fēng)向基本和橋面正交，形成“正攻角”;風(fēng)要“平穩(wěn)”，紊流度小，而非風(fēng)速忽高忽低。

大跨度橋梁越來(lái)越多 渦振“中國(guó)問題”要重視

“我們的抗風(fēng)規(guī)范，主要針對(duì)跨度200米以內(nèi)的橋梁設(shè)計(jì)?？缍刃〉臉蛄翰淮嬖诿黠@渦振問題。但大跨度橋梁，特別是懸索橋及連續(xù)梁橋，都易遇渦振問題，因此通常采用風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試。”陳政清說。

全球自上世紀(jì)90年代起，就發(fā)生過多個(gè)大跨度懸浮橋的渦振。緣何今日存在這類渦振?陳政清認(rèn)為，面對(duì)大跨度橋梁高階模態(tài)渦激共振，存在一個(gè)亟須解決的“中國(guó)問題”，即抗風(fēng)規(guī)范應(yīng)進(jìn)一步完善，考慮大跨度橋梁的多階渦振可能性。

“渦振受風(fēng)和橋梁自身結(jié)構(gòu)影響。風(fēng)不能人為控制，但我們能從橋梁上想辦法。”陳政清說。

辦法主要有兩種：加大阻尼比，或改變橋梁氣動(dòng)形狀。國(guó)外內(nèi)大量調(diào)查研究表明，多數(shù)橋梁實(shí)際阻尼比低于規(guī)范阻尼比。因此可借助增加阻尼器來(lái)增大橋梁阻尼比。如湖南大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)考量橋梁阻尼器“長(zhǎng)壽”因素，發(fā)明的電渦流阻尼器，能將震動(dòng)轉(zhuǎn)為電力消耗掉，變相增大阻尼比。同時(shí)，在對(duì)大跨度橋梁進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)，適度調(diào)低測(cè)試阻尼比。

橋梁結(jié)構(gòu)也很重要。湖南杭瑞高速動(dòng)力谷大橋、矮寨橋等大跨度橋梁，均采用桁架橋結(jié)構(gòu)，抗渦振能力更強(qiáng)。不過，對(duì)已成型的橋梁，進(jìn)行氣動(dòng)外形改良也是研究熱點(diǎn)。這些研究包括橋位風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬、大橋動(dòng)力特性識(shí)別、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)升級(jí)及渦振大數(shù)據(jù)分析、大比例節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)及減振措施、風(fēng)—車—橋耦合振動(dòng)分析等。