湖大院士揭秘|有点“飘”的大桥，该如何“定”下来
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“涡振是个‘怪东西’。其实桥上有车行走，它的涡振（涡激振动）振幅比无车情况还会小些。换句话说，虎门大桥限速通车，也安全。”6日，长沙，中国工程院院士陈政清一开口，就让科技日报记者愣了一下。
近期，我国大桥似乎有点“飘”。4月26日，武汉鹦鹉洲长江大桥桥体发生波浪形晃动。9天后，广东虎门大桥悬索桥也来了一波类似“神晃动”，让大桥“飘”上了热搜。
大桥为啥如此“飘”，怎样才能让桥“淡定”下来？记者就此到访湖南大学土木工程学院、风工程试验研究中心。
6日下午，在虎门大桥底下眺望，肉眼看不出桥体有振动。图片来源：澎湃新闻
抖音视频里虎门大桥的波动“大片”，着实让人瘆得慌。不过，专家均表示，尽管大桥“飘”得明显，但仍安全。
如何看大桥的“飘动”，陈政清认为可分“动静”两种角度。大桥在设计时，均会考虑结构承载能力，即大桥满载时最大下沉幅度。据估算，虎门大桥最大下沉幅度为2米，此次大桥“飘”幅0.5米左右。从这一静力概念看，大桥很安全。
如此安全，为啥大桥涡振要封桥？这与“动态”指标有关。
“目前规范规定的涡振加速度，设计容许最大值为0.1个重力加速度，高于这个值的振动，会让人感到不舒服。此次振动加速度超过了这个值，人的感受就很明显了。”陈政清揭秘了虎门大桥涡振给人的视觉“大片感”。不过，他补充，涡振振幅不大于0.35米时，车辆也能限速通行。
让大家害怕的还有风速问题。无论鹦鹉洲桥还是虎门大桥，始作“风”的风速均不大。如此温柔的风，都能让大桥“飘”起来，遇上台风咋办？
湖南大学土木工程学院副院长华旭刚表示，对于某些断面外形，涡振很难完全消除，只能通过措施尽可能降低。但不等于风速低能引发涡振的大桥，不能抵抗台风等暴风侵袭，这是两码事。台风等高风速产生的为“颤振”，桥梁设计时有对此有周密考量。
不过，关于虎门大桥涡振，尚有几种猜测。
虎门大桥是90年代中期建设的海边大跨度悬索桥，为箱梁结构，桥面呈流线型，其抗风性能理论上良好，此前也未出现过明显涡振。此次出现，或因近期大桥施工，在桥两侧加装全长段临时挡板有关。
历史上，有个著名的桥梁风毁案例，即美国塔科马海峡大桥在八级大风中坍塌。“塔科马海峡大桥桥面呈H型，是最不能抵抗涡振的形状。虎门桥在施工中全线安装挡板后，也就从流线型变成了H型，类似塔科马海峡大桥桥面。”陈政清说。
专家还有种猜测，与大桥“阻尼比”有关。通俗说，“阻尼比”类似病毒抗体，代表其抵抗大桥振动的能力。阻尼比越小，大桥抗震能力就越低。虎门大桥存在25年之久，是否有可能阻尼比变小，影响到抗涡振能力？
人们都在纠结温柔的风，吹动了坚固的桥。但其实风温柔与否不是重点，吹的角度才有技术含量。这个技术叫“攻角”。“春天为啥好放风筝？因为气流从下往上形成‘攻角’。通常攻角不超过3度，所以风洞试验是按正负3度进行测试。如果刮风攻角大于3度，就可能引起振幅高于设计振幅。”陈政清说。
风还是温柔的风，只是今年“攻角”可能更大。换言之，不是刮风就会涡振。要引起涡振的条件颇苛刻：如风向基本和桥面正交，形成“正攻角”；风要“平稳”，紊流度小，而非风速忽高忽低。
“我们的抗风规范，主要针对跨度200米以内的桥梁设计。跨度小的桥梁不存在明显涡振问题。但大跨度桥梁，特别是悬索桥及连续梁桥，都易遇涡振问题，因此通常采用风洞试验测试。”陈政清说。
全球自上世纪90年代起，就发生过多个大跨度悬索桥的涡振。缘何今日存在这类涡振？陈政清认为，面对大跨度桥梁高阶模态涡激共振，存在一个亟需解决的“中国问题”，即抗风规范应进一步完善，考虑大跨度桥梁的多阶涡振可能性。
“涡振受风和桥梁自身结构影响。风不能人为控制，但我们能从桥梁上想办法。”陈政清说。
办法主要有两种：加大阻尼比，或改变桥梁气动形状。国外内大量调查研究表明，多数桥梁实际阻尼比，低于规范阻尼比。因此可借助增加阻尼器，来增大桥梁阻尼比。如湖南大学研究团队考量桥梁阻尼器“长寿”因素，发明的电涡流阻尼器，能将振动转为电力消耗掉，变相增大阻尼比。同时，在对大跨度桥梁进行风洞试验时，适度调低测试阻尼比。
桥梁结构也很重要。湖南杭瑞高速洞庭湖大桥、矮寨桥等大跨度桥梁，均采用桁架桥结构，抗涡振能力更强。不过，对已成型的桥梁，进行气动外形改良也是研究热点。要解决涡振问题，这些研究还包括桥位风环境数值模拟、大桥动力特性识别、健康监测系统升级及涡振大数据分析、大比例节段模型风洞试验及减振措施、风-车-桥耦合振动分析等。
来源 | 科技日报
记者 | 俞慧友
责编 | 周丹
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