大桥风振事故原理分析以及有效防范措施举例

⼤桥风振事故原理分析以及有效防范措施举例
2019-05-10
摘要：⽂章通过对塔科马⼤桥的风振事故来探究风振的原理，来概述了风洞试验的发展，以及风振有效的防护措施。

关键词：⼤桥蛇形共振；桥梁抗风；风振动防范；塔科马⼤桥
1 理论概述
建造⼤桥的时候我们不仅仅要考虑⼤桥的承载能⼒，美观度以及经济性，此外我们建造的⼤桥，⼤跨度桥常常因为柔度⾮常⼤，⽽受风荷载影响很⼤，⼤桥在未知的风的作⽤下会产⽣⼗分巨⼤的变形以及振动。

随着桥梁跨度的增⼤，⾮线性因素也愈加明显，不确定的因素也就变得很⼤很⼤，这就给已经⾮常复杂的风-车-桥系统研究加⼤了难度。

在风速较⼤的地区⽐如芝加哥，修建跨江、跨海铁路⼤桥时，为了确保桥梁结构及列车运⾏安全，必须要综合考虑风和列车荷载对桥梁的动⼒作⽤。

在国内外关于车桥耦合振动及桥梁抗风研究的基础上，需要考虑⼤跨度桥梁的⼏何⾮线性因素。

我们有必要来探究下⼤桥共振的原因，我们说的⼤桥看成不是⼀个刚体并有⾃振，在车辆通过⼤桥的时候对⼤桥产⽣压⼒，⼤桥就会受⼒变形，若这个⼒与⼤桥⾃⾝的震动吻合就会产⽣共振，然⽽这个问题要控制在⼀个安全范围内才对⼤桥不⾄于造成破坏。

概括来讲，该问题属于⽓动弹性振动问题.美国的塔卡马⼤桥就是这样被垮的。

原因是桥垂直⽅位的结构上的板引起了桥发⽣⼀系列振动。

桥对风有相当⼤的阻⼒，因此风被桥遮挡，⾼强度的⽓流只能从结构板上⽅经过，最后压向了桥表⾯。

由于通过的⽓流由于连续的被曲折就加快了它流动的速度，由伯努利定律可知在竖直⽅向上结构板的上⽅及下⽅将产⽣明显的压降。

⽆所谓的是风⼀直从板正前⽅吹过来，它的原因是上下⽅产⽣的压⼒降低会导致相互的抵消。

⿇烦的事是若风⽅向随机且不停地产⽣变换，这将导致压⼒产⽣不断地波动变化。

产⽣的压⼒差若加在了整个桥⾯之上，⽽且因为能够挡住风的竖直⽅向的结构板后，将产⽣涡流并且不断的加强，将会最终导致桥⾯开始振动。

从理论上讲当桥⾯经受⼀定流速的⽓流吹动，就不可避免地会产⽣⾃激振动.除此之外⼀个因素是某个桥墩由于流体的涡振产⽣松动，这使得桥墩产⽣周期性的振动，使桥⾯产⽣低频振荡，车桥耦合振动的概率很⼩，由于车辆的激励频率要⾼好多.
2 桥梁风致病害典型案例分析
我们举⼀个⾮常有名的例⼦吧，就是著名的塔科马⼤桥由于风振产⽣的倒塌事故。

塔科马⼤桥常常在施⼯过程中发⽣轻微的摆动，这些振动常常使修筑桥的⼯⼈的头部感到了晕眩难耐的感觉。

然⽽桥在竣⼯并且通车后，情况并没有好转，桥⾝摇摆反⽽更加剧烈了。

这个桥虽然出⾃⼤师之⼿，让⼈惊讶的是，桥⾝会产⽣的振动的幅度竟然达1.5⽶之⼤，由于振幅太⼤，这个振动很有趣的使得驾驶员不能够看到在它前⽅正在⾏驶的汽车。

塔科马桥的倒塌是⼀件让⼈始料未及的事。

1940年，在不到20⽶/秒的8级⼤风下，华盛顿州刚刚建成不久的塔科马峡⾕悬索桥就发⽣了⼗分强烈的扭转振动，桥⾯的扭转振幅不断增⼤，最后达到35°扭⾓时，事故发⽣了吊索被逐根拉断，桥⾯继⽽折断坠⼊了⼤峡⾕之中。

这次事故不是普通的事故，塔科马⼤桥的风毁是⼀个震动桥梁界的转折点。

事故发⽣后专家调查表明，从19世纪初以来已经有10座桥梁遭到了风毁，却未找到造成风致振动的罪魁祸⾸。

那时⼈们对于吊桥的空⽓动⼒学特性知道得很少，⼈们对狭桥的设计⽼是找不出瑕疵，这个灾难将打开⼒学的新纪元。

这场灾难虽然在当时说来是属于难以预料的事，但它不仅仅是⼀次普通的事故，它将对以后⼯程师们进⾏桥梁设计产⽣意义⾮凡的影响。

之后桥的残骸被⽤来作为测试的材料，这也使风洞试验得以产⽣和发展。

⾄今对⼤跨度的桥梁的所必要的风振分析仍然不能够不借助风洞试验来进⾏。

⽽且对拉索以及桥塔这⼀类⽐较缺乏相同类的风洞试验能作为参考的构件，则更加不能够离开了风洞试验.当前来说，桥梁风振分析的⼀⼤缺陷是当今的风洞试验不能够提供理论分析需要的全部数据。

图1 塔科马⼤桥
3 ⼤桥风振防护措施
在桥中设⽴减震器常常⽤来减轻桥梁的共振效应，它可以有效地⼲扰共振波，不管振动持续多长的时间或是何种振源，⽽⼲扰共振波就能够⾮常有效地减弱已有的振动波。

当前⼴泛运⽤的减震技术常常会与惯性有很⼤的关系。

桥梁如果⽤实⼼的道路来铺设，那么共振波就能够⾮常容易的传遍⾄整个桥长，这会使⼤桥产⽣⽆法避免的共振。

但若桥⾯的道路能够由各⾃不同的截⾯构架成并且对它采⽤了相互层叠在⼀起的的板相连接⽽成，则其中⼀个截⾯的运动就会依靠连接板传递⾄另⼀个截⾯上，从⽽叠放就会产⽣⼀定量的摩擦⼒，其⽬的是能够改变桥的频率到达防⽌振动波的累积的效果。

此法的原理就是产⽣够⼤的的摩擦来改变共振波具体的的频率，有效地改变波频就能够引起两种相异的波，从⽽不会相互累积那些能够破坏桥⾯的⼒量。

还有就是可以加装风嘴、中央开槽、稳定板，使桥梁截⾯逐渐接近了流线型的构造，从⽽避免漩涡的脱落的状况会发⽣，还有就是增⼤了在竖向振动时桥所所受到的空⽓阻尼。

4 结语
值得庆幸的是塔科马⼤桥坍塌事故未造成⼈员伤亡，但它导致了巨⼤的经济损失，这次事故的发⽣告诫了那些建筑设计师们从事设计⼤型桥梁的⼯作时，不但需要有多次的精密测算以及建⽴的模型的反复试验，为确保结构的稳定安全，也要潜⼼研究空⽓动⼒学，学好关于减少风振的知识，还应考虑作⽤在拉索上的风载对桥梁振动的影响。

随着⽇后科技的发展，测试的各种技术以及风洞试验的实验设备将会不断⾰新并完善，建筑师们对紊流风场的各种性质的研究也将会⽇益的深⼊，从⽽建⽴起更为合理简单的新的⽓动模型将是指⽇可待的事。

也就是说我们会逐渐攻克⼀个个技术上的难题，⼤桥以及⾼层建筑的风振难题将不会困扰⼤家，也不会再发⽣类似于塔科马⼤桥倒塌的悲剧了。

参考⽂献
[1] 郭丰振.浅析公路桥梁设计时应注意的要点[J].⿊龙江科技信息，2012（10）.
[2] 项海帆.我国的桥梁抗风研究[J].青少年科技博览，2002（07）.
[3] 曹志鹏.浅析振动作⽤在结构中的危害和控制[J].科技资讯，2013（05）.
[4] 邹⼩江.⼤跨度斜拉桥风振响应研究进展[J].昆明理⼯⼤学学报（理⼯版），2002（08）.
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