武汉鹦鹉洲长江大桥如波浪晃动?仿真模拟告诉你不用慌!

2020年4月26日下午,武汉多名司机反映鹦鹉洲长江大桥出现呈波浪形的上下晃动,像坐小型过山车一般,且出现头晕的感觉,一时引起市民们的一阵恐慌。

▲ 4月26日武汉鹦鹉洲长江大桥晃动现场视频

武汉鹦鹉洲长江大桥是湖北省武汉市第八座长江大桥,2010年8月开工建设,2014年12月28日正式建成通车,是世界首座主缆连续的三塔四跨悬索桥,也是世界同类桥梁中跨度最大的三塔四跨悬索桥。

看到这个新闻,不禁让人想起1940年美国塔科马海峡大桥坍塌事件

 

塔科马大桥是一座跨海悬索桥,号称当时世界第三;大桥于1940年7月1日建成通车,却于1940年11月7日,在风速为19m/s的情况下,加劲梁经受70 min的剧烈振动后垮塌,振动中主跨1/4点附近扭角振幅约±35°。

 

▲ 塔科马大桥坍塌历史图像
塔科马桥垮塌后,由美国公共道路局及华盛顿州收费桥梁当局联合发起了大规模的气动调查研究,研究表明该桥损毁源自“卡门涡街”;而“卡门涡街”是流体力学中重要的现象,在自然界中常可遇到,在一定条件下的定常来流绕过某些物体时,物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡; “卡门涡街”在建筑、桥梁、飞机制造设计以及船舶领域均有重要应用。

随着计算机仿真的日趋成熟,有研究人员运用计算机仿真程序做出了最新的研究,模拟考虑了频率为0.2 Hz的反对称扭转振型(塔科马桥损毁时出现过该振型)及相应的频率为0.13 Hz的竖向弯曲振型,同时也运用了水洞实验来验证数值结果。研究表明,塔科马海峡大桥坍塌时存在大型旋涡沿桥面板移动,现已知扭转失稳由旋涡脱落引起,故提高气动稳定性以防止大型旋涡的形成为目标,并进一步表明如能有效防止大型旋涡的形成,一个自由度的扭转失稳在一定程度上是可以控制的


实际上,塔科马海峡大桥自建成后就经常晃动,且程度较大,而武汉鹦鹉洲大桥平时晃动的程度非常小,在桥上几乎感觉不到此次鹦鹉洲大桥晃动特别厉害,或许就是风经过桥塔或主梁后产生的“卡门涡街”造成的桥梁共振但是,在前人悲惨的教训和众多科研成果的支撑下,桥梁设计师们已经考虑到了这些因素的影响,并在以安全为要素的前提下,设计出了这座宏伟的鹦鹉洲长江大桥,所以市民们无需恐慌。

 

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感兴趣的朋友可在SOLIDWORKS中自行建立悬索桥模型,再运用SOLIDWORKS Simulation对该悬索桥进行风荷载分析,也可进行频率分析、动态分析等模拟,来测试桥梁的安全性。

本文参考文献:《60年后塔科马大桥的空气动力研究》