近日，深圳355米高的賽格大廈連續(xù)發(fā)生晃動(dòng)，有專家指出，可能是刮風(fēng)引發(fā)大樓產(chǎn)生共振(渦振)。去年廣東虎門大橋懸索橋發(fā)生橋面晃動(dòng)，也是由渦振現(xiàn)象引起的。事件也再次引發(fā)人們對(duì)“風(fēng)致振動(dòng)與高層建筑”的關(guān)注：風(fēng)力如何引起高層建筑振動(dòng)?
被稱為“川藏第一橋”的雅康高速瀘定大渡河大橋橫跨大渡河，在峽谷紊亂的風(fēng)場(chǎng)中經(jīng)受相當(dāng)于12級(jí)臺(tái)風(fēng)的瞬間風(fēng)速。該橋主跨長達(dá)1100米、索塔高達(dá)188米，橋塔頂至水面高差達(dá)364米。該橋迄今已是通車運(yùn)營第3個(gè)年頭，在經(jīng)常狂風(fēng)大作的西部山區(qū)，如何確保大橋穩(wěn)穩(wěn)屹立?記者就此專訪了四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院。
顫振和渦振：
橋梁安全兩大“殺手”
參與研究的公司董事、副總經(jīng)理蔣勁松從事橋梁設(shè)計(jì)30余年，曾任公司橋梁勘察設(shè)計(jì)分院總工程師。他向記者介紹，抗風(fēng)設(shè)計(jì)主要運(yùn)用于懸索橋和斜拉橋這樣的大跨度、相對(duì)柔性的橋梁。風(fēng)力作用下產(chǎn)生的風(fēng)致振動(dòng)——如顫振和渦振，則是影響橋梁結(jié)構(gòu)安全的兩大“殺手”。
顫振是大跨度橋梁在極端風(fēng)速下可能出現(xiàn)的一種風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象。在風(fēng)場(chǎng)作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)行為與周圍風(fēng)場(chǎng)的變化形成耦合，作為空間結(jié)構(gòu)的橋梁系統(tǒng)，從流動(dòng)的空氣中不斷吸收能量，從而出現(xiàn)發(fā)散性自激振動(dòng)。
顫振問題一直都是橋梁風(fēng)工程研究的焦點(diǎn)。這種不收斂的振動(dòng)，是橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)中最危險(xiǎn)的振動(dòng)形式。渦振則是大跨度橋梁在低風(fēng)速下容易出現(xiàn)的一種風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象。在風(fēng)場(chǎng)作用下，當(dāng)空氣繞流橋梁構(gòu)件后，交替脫落的渦旋引起橋梁振動(dòng)。由于渦振屬于較低風(fēng)速區(qū)內(nèi)的有限振幅振動(dòng)，并非發(fā)散性振動(dòng)，雖然對(duì)結(jié)構(gòu)的安全影響較小，但是振動(dòng)產(chǎn)生的不舒適感可能影響橋上車輛的行駛安全。
試驗(yàn)了幾十種措施
終于找到抗風(fēng)三大“法寶”
蔣勁松告訴記者，與海面上的風(fēng)幾乎平吹不同，大渡河峽谷之中氣象多變、風(fēng)場(chǎng)紊亂，瞬間風(fēng)速能達(dá)到32.6米/秒，相當(dāng)于12級(jí)臺(tái)風(fēng)風(fēng)速。受復(fù)雜地形地貌影響，橋址區(qū)易出現(xiàn)大風(fēng)攻角來流，也就是說風(fēng)的來流方向與橋梁橫斷面所夾角度大。橋位處的來流主要是兩岸雪山和谷底之間的溫差形成的山風(fēng)，山風(fēng)大部分均是從上往下流動(dòng)，從而使得橋位處的風(fēng)攻角以負(fù)攻角居多。
相關(guān)研究課題從2012年開始啟動(dòng)。在確定實(shí)際結(jié)構(gòu)發(fā)生渦振的可能性較低之后，設(shè)計(jì)人員將主要精力投向防顫振，試驗(yàn)了幾十種措施，最后組合了試驗(yàn)驗(yàn)證最優(yōu)的方案，運(yùn)用氣動(dòng)措施、結(jié)構(gòu)措施和機(jī)械措施三大“法寶”。
蔣勁松表示，其中最可靠的措施便是氣動(dòng)措施。瀘定大渡河橋的設(shè)計(jì)采用了部分封閉中央開槽，并在橋面板中央上、下側(cè)設(shè)置穩(wěn)定板，進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化。同時(shí)，還在側(cè)向風(fēng)較大的區(qū)域防撞護(hù)欄上方設(shè)置了防風(fēng)屏障，以保證橋上行車的安全性和舒適性。
在結(jié)構(gòu)措施方面，瀘定大渡河大橋首次采用了鉸接式耗能型中央扣，限制主梁和主纜縱向錯(cuò)位，提高結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度，從而提高橋梁抗顫振性能，達(dá)到抗風(fēng)目的。同時(shí)，防屈曲支撐的中央扣，又能在強(qiáng)烈地震中首先“屈服”，桿件退出工作，減少反作用力，從而保護(hù)主梁不被破壞。
所謂機(jī)械措施，則是安裝輔助裝置增大結(jié)構(gòu)阻尼，或在結(jié)構(gòu)上附加一定質(zhì)量的重物來提高結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)穩(wěn)定性，從而降低風(fēng)振響應(yīng)。瀘定大渡河大橋則是在主梁兩端各安置了兩個(gè)粘滯阻尼器，當(dāng)油通過節(jié)流孔時(shí)產(chǎn)生節(jié)流阻力，等于給橋梁裝上了“安全氣囊”。
公司橋梁勘察設(shè)計(jì)分院副總工程師陶齊宇告訴記者，常規(guī)風(fēng)攻角作用下，大于90m/s的風(fēng)速才可能引起瀘定大渡河大橋的顫振。但目前看來，橋址現(xiàn)場(chǎng)還達(dá)不到其顫振臨界風(fēng)速。
