晏成和
说说虎门大桥
2020-5-9 18:18
阅读:3416

悬索桥为什么起伏晃动?

                                     晏成和

前几日,大风之后,广东虎门悬索大桥发生异常起伏抖动,随后,大桥管理部门封闭了大桥,引发热议。虎门大桥是广东省境内一座跨海大桥,位于珠江口狮子洋之上。该桥梁主桥全长4.6千米,主跨888米。

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          虎门大桥 (悬索桥)   图片来自百度     

桥梁的功能连接两地交通,桥上面要承载车辆及其人员货物等。这些承载物的重量及其动量就是桥梁的主要荷载,一般主要荷载的重力总是向下的,这也是桥梁结构设计的主要原始数据,而不大会考虑发生向上的力。


悬索桥跨度大,造型优美。荷载作用在桥面钢梁,由许多竖直的吊索传递到弯曲的主悬索,悬索由桥塔顶着,整个荷载经钢梁-吊索-悬索-桥塔、然后传递到地面。因为主要荷载由悬索承担、传递,钢梁只是承担局部荷载,所以钢梁设计强度不大,因为主悬索是柔性,所以各钢梁分段柔性连接。桥梁设计有较大的安全系数,十几辆大卡车、几百吨分布重量都没有问题。


悬索桥的主要构件悬索、吊索,能够承受很大的拉力,但是对相反的力的承受能力却很差。一般情况下重力向下,不会发生向上的力。


这一次是老天刮起大风,使得桥面发生严重的晃动,风刮不动小小民房,怎么能够刮得这承载几百吨的钢铁桥梁上下起伏?要回答这个问题,我们先去看看飞机。


一架大飞机,两翼加起来不到百米,却在高速气流的升力中,向上托起一百吨甚至是几百吨的飞机和货物

虎门桥桥面略微凸起的悬索桥桥面,其面积比大飞机机翼大很多,高速的大风(气流)以某个角度刮过桥面,会产生上百吨向上的托升力,导致柔性钢梁局部上升,产生上下晃动。并且大桥的主悬索也是柔性的,某部分钢梁上升使与之连接的主悬索失去载荷上移,导致主悬索在主塔跨度之间纵向晃动,两条主悬索及钢梁在运动中调整为一前一后纵向晃动,吊着的钢梁(大桥路面)则在其间左右扭动、起伏。因为主悬索桥质量很大(m近千吨  F=ma),运动力很大、惯量也很大,又没有相应的阻尼,所以桥梁能够晃动很长的时间。

以上分析:大风是这种悬索桥的天敌,设计悬索桥应该避开天然风口;或者在悬索桥两边设计导流板,改变气流,不至造成太大的升力;也可以考虑增加阻尼装置,让晃动不易形成、或早点停止。

                              

                                    2020、5、9、


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