▲虎门大桥扁平流线型钢箱梁横截面图
尽管流线型钢箱梁的外形差别较小,但不同的桥梁其抗风能力却可能存在较大差异,桥面两边的栏杆设置便是其中一个重要影响因素。
比如透风率小的栏杆会显著增加涡振振幅,更甚者破坏整个桥梁的流线型外形,极大降低桥梁抗风能力。
而正是这些水马的摆放改变了钢箱梁的流线型外形,使其成为一个“钝体”。
▲球体是一个典型的钝体
那什么是涡振呢?
中学物理课上,我们就学习过每个物体都有其固有频率,振动频率与其本身固有特性有关(如质量、形状、材质等),当物体以接近本身的固有频率振动时,振幅将显著增大。
涡振,又称为涡激振动。
当气流经过钝体时,会从物体两侧周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列漩涡,形成周期性的正负压力(类似于上下拍皮球一样),我们将该现象称“卡门涡街”。
▲卡门涡街现象示意图
气流旋涡形成的周期性压力使得物体产生振动,如果物体振动频率接近物体的本身固有频率时,便会发生共振,导致物体运动幅度显著增大。
共振对桥梁的危害特别大,曾经有国家的军队在齐刷刷踢正步走过大桥时,因为踢正步发出的共振过大将桥震断的事故。
那么该如何避免桥梁产生涡激共振呢?
实际上,在桥梁建造前,工程师们一般会利用风洞节段模型实验进行检验,或者采用CFD技术进行检查。
将桥梁选取一段,用8根弹簧悬挂在风洞之中,模拟桥梁的振动频率。通过试验就可以获得涡激共振响应,据此评估桥梁是否具有发生涡激共振的可能性。
▲同济大学风洞实验室
而如果当桥梁已经发生涡振,则可以通过改变气动外形,比如改变风嘴形状、改变检修车轨道位置或者防撞护栏形式等方式。还可以增加TMD(调节质量阻尼器)来控制涡激共振。
但上述方法都需要经过谨慎地试验验证。