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虎门大桥,冯卡门与钱学森:涡激共振的今生前世

虎门大桥,冯卡门与钱学森:涡激共振的今生前世 中自庆安
2020-05-07
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导读:针对虎门大桥异常抖动事件的分析

2020年5月5日,虎门大桥发生异常抖动事件引发社会关注。

虎门大桥当日监控视频

从视频中可以看出,虎门大桥发生异常抖动,悬索桥桥面晃动比较大,振幅较为明显,对行车造成不舒适感,为确保安全,虎门大桥现已封桥,不能通行。



虎门大桥于1992年10月28日动工建设;于1997年6月9日建成通车,东起东莞市太平立交,上跨狮子洋入海口,西至广州市南沙立交;这座桥是国家重点工程,二十年来经历无数考验,挺过数十次台风,拥有多项国内或国际先进水平工程技术和工艺,是我国第一座真正意义上的大规模现代化悬索桥,被认为标志着二十世纪中国桥梁建设的最高成就。
显然,这次的事件,很难认为是桥梁本身质量导致的问题。事实上,在气动、结构、振动等专业的人来说,这次事件是一次教科书上知识的经典重现:涡激共振。




涡激共振

无数安全事故背后的隐藏杀手


流体经过非流线型障碍物,会在物体两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡,即卡门涡街(这个现象是由钱学森的老师冯卡门最先给出理论描述的)。这种旋涡的频率如果正好接近障碍物的固有频率,就会引发涡激共振。在这种情况下,即使很小的风速,也可能产生远超过台风的破坏力。


流固耦合下的涡激共振仿真示意
(基于中自庆安自有代码)

说到涡激共振对桥的影响,就有一个绕不开的经典案例,1940年,美国华盛顿州的塔科玛峡谷索桥。建成4个月后,于同年11月7日碰到了一场风速为19米/秒的风。虽风不算大,但桥却发生了剧烈的扭曲振动,且振幅越来越大(接近9米),直到桥面倾斜到45度左右,使吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而塌毁,坠落到峡谷之中。


塔科马大桥的振动

因为这座桥的牺牲,让我们足够重视涡激共振对桥梁的影响,在这次虎门大桥的事件中,采取了及时的措施,避免了可能严重的后果。




振动监测

现代工业生产必不可少的贴身保镖


桥梁的涡激共振,算是几十年难得一见的巧合,但是在现代工业中,在和气动相关的领域,涡激共振现象却是一个时刻需要警惕和面对的问题。


机翼颤振风洞实验与飞行试验

风电行业就是一个凸显振动监测安全价值的典型场景,因振动升高引起风机故障的比重最大。运营商采取振动监测手段,就能够有效的发现早期故障,进行预知性维护,降低维护保养费用,避免停机损失,保障风机的平稳、安全运行。


风力机支杆尾流中风力机叶片的振动


中自庆安作为振动监测的专业公司,对振动监测的价值更是深有体会:我们的设备状态监测技术已应用于风电、水泥、石化、轨道交通等领域,在众多大型机械设备运行中得到有效验证,十年来上千份验证案例的背后,是无数防患于未然的安全事故。

虽说此次“虎门大桥抖动”是虚惊一场,却也又给所有人敲响了安全的警钟:现代工业如火如荼奔向“中国制造2025”、“新基建”的大背景下,面对隐患我们不应该继续被动等待事故发生,只有运用振动监测等科技手段来防止不可控的因素造成的重大安全问题和财产损失,减少对突发事件的担惊受怕,才会迎来安全、便捷、经济、高效的未来。



后记

在本文中,仅仅讨论了涡激共振这一现象。但其实这只是风致振动的众多分支之一。中自庆安作为振动监测的专业公司,却有责任做到严谨、全面。严格来说,风致(流致)振动是一个总的类别,包含了颤振(Flutter)、涡激共振(VIV,Vortex Induced Vibration)、驰振(Galloping)、抖振(Buffeting),它们彼此之间有共同点也有区别,并且可能会同时出现,互相影响:


例如对风机叶片的振动,其实就同时包含了涡激共振和驰振的特性。对于不同的工业设备,只有理解了不同的风致振动机理,才能做到更好的量身定制振动监测方案。



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