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桥梁专家:涡振的发生有偶然性,目前还不能有效预防

现代快报讯(记者 李娜 王瑞)5 月 5 日 -6 日,广东虎门大桥发生多次抖动,据专家组判断,大桥 5 日的首次振动系涡振现象,不影响桥梁结构安全。江苏也是跨江大桥较多的省份。涡振常见吗?危害大吗?大桥的设计者和养护者们,如何避免涡振,又是如何守护大桥的?现代快报记者采访了桥梁专家。

虎门大桥的涡振现象,并非国内首例

虎门大桥是连接广州市南沙区与东莞市虎门镇的跨海大桥,位于珠江口狮子洋上,于 1997 年建成通车。虎门大桥车流量大,常处于饱和状态。

据新华社消息,广东省交通集团通报称,5 月 5 日 14 时许,广东虎门大桥悬索桥桥面发生明显振动,桥面振幅过大影响行车舒适性和交通安全。大桥管理部门联合交警部门及时采取了双向交通管制措施,广东省交通运输厅、广东省交通集团连夜组织了国内 12 位知名桥梁专家召开专题视频会议进行了研判。

△虎门大桥桥面发生振动 图片来源:新华社

6 日凌晨,专家组初步判断,虎门大桥悬索桥本次振动的主要原因是:沿桥跨边护栏连续设置水马,改变了钢箱梁的气动外形,在特定风环境条件下,产生了桥梁涡振现象。

广东省交通集团通报称,大跨径悬索桥在较低风速下存在涡振现象,振动幅度较小不易察觉,仅在特殊条件下会产生较大振幅,不影响桥梁结构安全,会影响行车体验感、舒适性,易诱发交通安全事故。虎门大桥管养单位已紧急开始对大桥进行全面检查检测,大桥继续施行双向封闭。交通运输部已组建专家工作组到现场指导。

不过,据央视网等多家媒体消息,6 日,桥面又出现小幅振动。桥梁设计专家、桥梁风工程研究专家葛耀君教授表示,后续的涡振与 5 日发生的首次涡振之间没有直接关系,具体原因还需等测量数据结果。

虎门大桥出现的涡振现象,在国内并非首例。就在 10 多天前,武汉鹦鹉洲长江大桥也曾出现过类似抖动。4 月 26 日下午,多名车主反映,在驾车途经武汉鹦鹉洲长江大桥中段时,感觉桥体明显上下起伏,桥面呈波浪形,车内人员有眩晕感。当时,该桥管养单位回应称,此次桥梁异常振动系特定风况引起,振幅在设计允许范围内;桥梁结构运行正常,安全有保障。国外一些大桥也发生过明显的涡振现象。

江苏的大桥都有结构健康监测系统

江苏依江而建,不少交通往来靠的就是过江通道,这其中,尤以跨江大桥居多。这些大桥平常是怎么养护的?如何保障这些桥梁的安全?

△大胜关大桥(原南京三桥) 资料图

" 目前,大桥的管养都是按照交通运输部相关规范要求进行的,大胜关大桥(原南京三桥)有 24 小时结构健康监测系统。" 南京长江三桥有限公司工程部负责人倪大治告诉现代快报记者,通过 24 小时实时监测系统,如果结构状况发生异常,就会自动发出警报。

大胜关大桥在全桥的主塔、钢箱梁等关键部位设置了 256 个传感器,有加速度传感器、应力传感器、风力传感器等,通过这些传感器,可以对大桥的受力进行监测,系统采集数据后,再由专业的技术人员进行分析判断。栖霞山大桥(原南京四桥)则是在全桥安装了 188 个(套)监测设备,主要监测荷载源,静动力响应两方面内容。除此之外,每年还会对大桥进行定期的人工检测,每个月还要对主桥的支座、斜拉索的锚头等重点构件进行专项检查,发现问题及时处置。

现代快报记者了解到,大胜关大桥是斜拉桥,建成通车已经 15 年了;栖霞山大桥则是悬索桥,自 2012 年 12 月份开始也已经通车七八年了,两桥的 24 小时监测系统都还没有报警过。

" 大桥的位移每天都在发生,因为是钢结构的,不管是悬索桥还是斜拉桥变形,都是正常允许范围内的。" 倪大治坦言。

△栖霞山大桥 资料图

" 栖霞山大桥其实是个半漂浮体系,它可以上下左右,包括扭转都是有允许角度的。" 南京长江四桥工程部桥梁养护工程师李金桥更形象地解释,大桥在南北两侧有两条伸缩缝,每条可以允许 1520mm 的顺桥向位移。每次刮风、每次下雪,其实都能监测到桥梁有轻微的变形。比如通车以来最大一次变形,是有一年的 " 十一 " 长假期间,当时单向通行车流较大,桥梁下挠,不过竖向变形还没有达到允许限度的一半,在允许的范围内。

现代快报记者了解到,目前,江苏所有的长大桥梁(总长 1000 米或单跨 150 米以上)基本都设有 24 小时健康监测系统。

【桥梁专家】

大跨径钢结构桥梁易产生涡振现象

涡振常见吗?对此,中设设计集团总工程师韩大章在接受现代快报记者采访时表示,不能说常见,但是国内外有些大桥也出现过类似情况,目前江苏的大桥还没出现过明显的涡振。他表示,容易发生涡振的大桥,一般主要是钢悬索桥、斜拉桥以及大跨径的钢梁桥。

一般来讲,在设计的时候,大跨径桥梁往往先通过风洞试验,来验证所使用的结构形式和梁的形式,在桥位风环境下是否有可能出现在中低风速下的涡振和高风速下的其它不安全的振动。涡振虽然没有结构安全问题,但是如果振幅过大,人首先就会产生不舒服感,行车也会出现不安全感,就像虎门大桥一样,出现上下振动的情况,行车就会觉得很不安全。

韩大章表示,无论是从国外还是国内的案例来看,这种涡振并不会导致桥梁本身出现垮塌等事件,但是如果频繁振动,那么就有可能会对桥梁里面的其他构件带来损伤。正常情况下,大跨径的桥梁尤其钢桥,在有风环境下,会产生一定的振动,这是很正常的。但如果出现的是涡振,且振幅过大,是应该避免的。采访中记者了解到,2018 年时南京栖霞山大桥曾经遭遇过 10 级的大风,但是桥梁却纹丝未动。对此,韩大章表示,能让桥梁垮塌都是大风的时候,而涡振则不同,它是在中低风速的情况下产生的。

那么,中低风速有具体的范围界定吗?采访中记者了解到,这针对每座桥设计结构的不同,周边环境的不同,以及风向的不同,都不一样,但是可以明确的是,风速一定不会太大。而风洞实验其实就是模拟和测试不同风环境下,会不会导致桥梁出现有害振动,如果出现问题,就会及时对桥梁结构进行调整和处理,或者尽可能减少和避免这种有害振动的发生。

隧道比桥梁安全?不能因噎废食

针对虎门大桥事件,不少网友议论," 这么一看,是不是隧道比大桥要安全得多?" 对此,韩大章表示,这属于典型的因噎废食。

" 虎门大桥的振动,属于特定情况特定的风环境下产生的较大振幅,这是应该避免的。" 他表示,根据媒体报道,现场专家论证,虎门大桥在换吊杆施工时,设置了很长的防撞水马,有 1.2 米的高度,它改变了桥梁的气动外形,导致产生涡振,而拿掉以后振动基本就消失了。而且虎门大桥是 27 年来第一次出现这样的问题,这恰恰说明是由于改变了桥梁的形态产生的振动,而不是桥梁本身设计存在的问题。

密集行驶的车辆是否会引发涡振?可以监测吗?

韩大章介绍,一般情况下,桥面是不会设置水马的,只有桥梁需要施工的时候,为了保障施工人员的安全,才会使用水马起到隔离和防撞的作用。那么,小汽车在桥面密集行驶,是否也会出现类似水马这样导致桥面出现涡振的情况呢?他告诉记者,汽车通行并不是连在一块儿的,中间是有缝隙的,不过现在对桥梁设计时,也在逐步对桥梁、车辆通行和风等因素同时考虑,比如铁路桥,因为火车很长所以应当考虑得更加全面。

那么,大桥日常的管养和监测,能不能有效减轻这种涡振的发生?韩大章表示,涡振是随机、偶然发生的,设备监测只是在记录数据,好的还有预警功能,但不能有效预防。一般在大桥的设计里要尽量避免有过大的涡振发生,避免不了,或者试验没有发现,而实际发生了,就要增设气动措施,改善外形来抑制振动,或者加机械抑振装置,比如,江苏的崇启大桥,就在钢箱梁里面加了 TMD,即调谐质量阻尼器,在建的南京浦仪上坝夹江大桥钢塔和钢梁内部都加了 TMD 来抑制涡振的发生。

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