港珠澳大桥会振动吗?央视抗风实验:透过两大设计巧妙抗风

广州市南沙区与东莞市虎门镇的虎门大桥周二(5日)下午发生异常抖动,随后被封闭。经专家组判断,大桥振动是「涡振」现象,不影响后续使用的结构安全及耐久度。

虎门大桥振动,让同样地处广东沿海地带的港珠澳大桥也成为关注焦点。事实上,港珠澳大桥已经数度通过强台风考验,包括2017年的「天鸽」、「帕卡」以及翌年的「山竹」,但「涡振」引发的振动则是另一种截然不同的冲击。

早在2012年,央视曾报道过港珠澳大桥模型抗风实验,针对风形成的有节奏漩涡造成的桥梁晃动,透过对外形设计的两大改造——在检修车轨道上加导流板和对桥塔迎风面切去两个角,来消除风的破坏性作用,巧妙解决了港珠澳大桥抗风问题。

港珠澳大桥管理局总工程师苏权科在报道中指出,港珠澳大桥要求抵御16级台风,这个高标准抗风要求是针对伶仃洋海域特殊情况而制定。该海域的风很大,海面上10米的基准风速达到每秒49米,也就是15、16级大风。根据统计,该海域平均每年有1.8个台风,在中国的桥梁建设中,风的条件较为恶劣。

报道介绍了港珠澳大桥的抗风实验,大桥模型要接受两种破坏性风力的考验。第一种是超强大风,很多桥梁都曾在狂风中变得十分脆弱,而港珠澳大桥顺利通过了这个考验。然而当实验人员下调风力到约9级风后,监测仪器上出现了有节奏的振动曲线,桥面也慢慢变成有节奏的上下晃动,像是被不停拍动。离开这个风速,振动就消失。

实验人员指出,这种风力在海上很正常,虽然实验中的振动看上去幅度不大,但模型比例是70比1,在真实大桥上的振动幅度会被放大,让驾驶者视野前方的车辆时隐时现,留下安全隐患,所以要消除这些晃动。

实验发现,风形成的有节奏漩涡(涡振现象)是造成桥梁晃动的原因,要消除风对港珠澳大桥的这种破坏性作用就必须在外形上去掉能形成风漩涡的结构。由于大桥是由桥塔和横梁组成,模型晃动时桥梁中间离桥塔愈远的位置晃动幅度愈大,说明桥塔在限制晃动,而桥的横梁是晃动产生的主要因素。

在分别对桥梁和桥塔进行试验后,实验人员发现,桥梁底部背风面的检修车轨道和桥塔的形状是形成风漩涡的元凶。透过在检修车轨道上加导流板和对桥塔迎风面切去两个角,将风漩涡引开、打散,风产生的吸力便无法拉动桥体,也就无法形成节奏,从而消解了风的破坏性作用。

1940年,美国的塔科马大桥由于设计为求美观及节省金钱,使用过轻的物料,吊桥桥面厚度不足,大风引起的共振造成桥身强烈的起伏晃动,最终断裂。此后,桥梁专家就十分注意风对桥梁的影响分析。

据悉,塔科马大桥与虎门大桥都属于悬索桥,而港珠澳大桥是斜拉桥。相比悬索桥,斜拉桥的稳定性较好,较不易因大风共振而垮塌,但在结构受力上加大了对桥身强度的要求。

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