專家解讀虎門大橋?yàn)楹巍岸秳?dòng)”

本報(bào)記者　李司坤

5月5日14時(shí)許，虎門大橋橋面發(fā)生起伏晃動(dòng)，振幅較為明顯。經(jīng)專家組判斷，虎門大橋5日發(fā)生振動(dòng)系橋梁渦振現(xiàn)象，并不影響橋梁結(jié)構(gòu)安全。6日凌晨，有媒體記者在虎門大橋管理中心實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面看到，大橋仍有肉眼可見的輕微振動(dòng)。近段時(shí)間，我國(guó)多座知名懸索橋接連發(fā)生橋身“抖動(dòng)”現(xiàn)象，引起國(guó)內(nèi)輿論廣泛關(guān)注。究竟是何原因？這些現(xiàn)象之間有無共性？后續(xù)應(yīng)如何對(duì)橋梁進(jìn)行安全檢查？

虎門大橋抖動(dòng)引發(fā)高度關(guān)注

虎門大橋抖動(dòng)事件發(fā)生后，大橋管理部門聯(lián)合交警部門及時(shí)采取雙向交通管制措施，廣東省交通運(yùn)輸廳、廣東省交通集團(tuán)連夜組織了國(guó)內(nèi)12位知名橋梁專家召開專題視頻會(huì)議進(jìn)行研判。

廣東省交通集團(tuán)6日凌晨通報(bào)，專家組初步判斷，虎門大橋懸索橋本次振動(dòng)的主要原因?yàn)檠貥蚩邕呑o(hù)欄連續(xù)設(shè)置水馬，改變了鋼箱梁的氣動(dòng)外形，在特定風(fēng)環(huán)境條件下，產(chǎn)生了橋梁渦振現(xiàn)象。

虎門大橋大修辦公室副總工程師張?chǎng)蚊粼诮邮懿稍L時(shí)表示，當(dāng)時(shí)沿著護(hù)欄立柱擺了一層水馬，相當(dāng)于把護(hù)欄立柱的透風(fēng)孔給堵住了，水馬對(duì)橋梁的抗風(fēng)外形產(chǎn)生了變化，所以產(chǎn)生渦振。

一位不愿意透露姓名的業(yè)內(nèi)專家6日在接受《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者采訪時(shí)對(duì)“渦振”現(xiàn)象做了更淺顯易懂的解釋。他說，虎門大橋的主梁為扁平鋼箱梁，是兩邊尖、中間橫高的樣式，從外形上看，它的上下兩邊呈直線，兩側(cè)是三角形，本身有流線型設(shè)計(jì)。這位專家表示，大橋建完后，橋面一般只有欄桿和吊索，“這是不阻風(fēng)的，阻風(fēng)斷面很小，所以風(fēng)吹過來是流線型，大橋能夠自動(dòng)把風(fēng)通過去。”

該專家稱，這段時(shí)間虎門大橋在更換吊索，為防止橋上通行車輛對(duì)施工界面造成影響，于是施工方在緊急停車帶放置了很多水馬。“這些水馬高度為1.2米，一個(gè)挨一個(gè)，而且是不透風(fēng)的，這就改變了大橋主梁原本流線型的形狀。”這位專家表示，這時(shí)風(fēng)再吹過來，被水馬阻擋后，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，會(huì)形成漩渦，產(chǎn)生渦激力。渦激力對(duì)橋面進(jìn)行作用，下面的往上升，上面的往下壓，使橋梁產(chǎn)生振動(dòng)。“這種由渦激力產(chǎn)生的振動(dòng)頻率如果跟橋梁自振頻率產(chǎn)生共振，就會(huì)引起橋的振幅加大。”

該專家告訴《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者，這種由渦激力引起的橋梁共振，簡(jiǎn)稱“渦振”，一般是在低風(fēng)速狀態(tài)下發(fā)生。目前看來，虎門大橋的主體結(jié)構(gòu)沒有受到太大影響。

橋梁抗風(fēng)有多難

撤走水馬之后，虎門大橋在6日出現(xiàn)的后續(xù)晃動(dòng)又是怎么回事呢？虎門大橋大修辦公室副總工程師張?chǎng)蚊艚邮苊襟w采訪時(shí)表示：“目前的抖動(dòng)可能是慣性原因，它會(huì)慢慢消除。”此外，廣東虎門大橋公司工作人員也在回應(yīng)媒體采訪時(shí)表示，“目前，已拆除橋面上的水馬，因?yàn)榛謴?fù)期比較長(zhǎng)，所以還有抖動(dòng)。”

著名橋梁結(jié)構(gòu)專家、國(guó)際橋梁與工程協(xié)會(huì)主席葛耀君6日在接受媒體采訪時(shí)認(rèn)為，二次渦振的成因與第一次渦振沒有直接聯(lián)系，目前已經(jīng)安排儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)，專家組正在對(duì)二次渦振的成因進(jìn)行調(diào)查。

著名橋梁專家吳明遠(yuǎn)6日晚在虎門大橋渦振記者答疑會(huì)上稱，6日中午過后，虎門大橋抖動(dòng)已經(jīng)基本平息。根據(jù)目前檢測(cè)的結(jié)果，此次渦振并未影響虎門大橋的整體結(jié)構(gòu)。據(jù)張?chǎng)蚊艚榻B，目前正在對(duì)大橋進(jìn)行全面的檢測(cè)，至于何時(shí)通車，目前尚不能確定。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）土木與環(huán)境工程學(xué)院教授肖儀清6日接受媒體采訪時(shí)稱，懸索橋?qū)儆谌嵝詷颍罂鐝綉宜鳂虺霈F(xiàn)小幅振動(dòng)屬于正常現(xiàn)象，這次產(chǎn)生渦振的虎門大橋主跨徑達(dá)888米。懸索橋有時(shí)在較低風(fēng)速下產(chǎn)生振動(dòng)，幅度較小眼睛不能分辨，在特殊條件下會(huì)產(chǎn)生較大振幅。如果水馬拆除后還有顯著振動(dòng)，則需要做專門檢測(cè)和研究。

事實(shí)上，此次虎門大橋的異常晃動(dòng)現(xiàn)象并非近期首次。4月26日下午，武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋橋體就出現(xiàn)過可感知的上下晃動(dòng)現(xiàn)象。近來接連出現(xiàn)類似大橋晃動(dòng)情況，之間是否存在共性？對(duì)于鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋出現(xiàn)的晃動(dòng)，上述匿名專家認(rèn)為，從表象來看，鸚鵡洲大橋的晃動(dòng)也是一種由風(fēng)引起的振動(dòng)。這位專家告訴《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者，在各種類型的橋梁中，在對(duì)抗風(fēng)方面最為敏感的就是懸索橋。“懸索橋本身對(duì)風(fēng)是易感的，所以這幾十年來，在抗風(fēng)課題上主要都是對(duì)這種大跨度的懸索橋進(jìn)行研究。”他說，懸索橋的跨度一旦超過1000米，由風(fēng)所引起的振動(dòng)除了渦振以外，還有“顫振”和“抖振”。這些情況在橋梁風(fēng)現(xiàn)象中都是存在的，該專家表示不必過于擔(dān)心，只要能控制得住，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)、安全不產(chǎn)生影響就可以了。該專家表示，“自從美國(guó)塔科馬橋塌了之后，興起了橋梁風(fēng)工程學(xué)科。”該專家介紹說，“我國(guó)從上世紀(jì)90年代開始修建虎門大橋時(shí)，已充分吸收國(guó)外橋梁抗風(fēng)理論和抗風(fēng)方面的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，所以在后續(xù)的我國(guó)懸索橋的設(shè)計(jì)中，都做過專門的抗風(fēng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。”

后續(xù)如何強(qiáng)化橋梁安全監(jiān)測(cè)

近期發(fā)生在虎門大橋以及鸚鵡洲大橋上的橋體晃動(dòng)，是否會(huì)對(duì)懸索橋的橋體結(jié)構(gòu)造成損傷？上述不具名專家告訴《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者，這種柔性的懸索橋本身引起的變形，在橋梁設(shè)計(jì)允許撓度限值以內(nèi)都是可以接受的，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)本身也不會(huì)有太大損害。但他同時(shí)強(qiáng)調(diào)，橋梁不是“金剛不壞”之身，建造完成后不是什么工況都能夠扛得住。“在面臨超出設(shè)計(jì)極限荷載的情況下，也不敢說百分百?zèng)]問題。”

該專家表示，虎門大橋此前沒出現(xiàn)過類似渦振現(xiàn)象。他對(duì)此次情況的發(fā)生進(jìn)行復(fù)盤后告訴《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者，此次發(fā)生的情況主要由于兩點(diǎn)原因：第一，虎門大橋此次換吊索是建成后首次更換，且虎門大橋主橋也從沒有像當(dāng)天那樣，把水馬排得那么齊。“橋梁維修是一個(gè)特種施工工程，必須要申請(qǐng)當(dāng)?shù)亟还懿块T同意，不能隨便臨時(shí)設(shè)置圍擋裝置，可能施工隊(duì)伍沒有充分考慮這種情況。”第二，風(fēng)速頗為湊巧，剛好在產(chǎn)生渦振范圍內(nèi)。“風(fēng)速更大、或再小一點(diǎn)都吹不起來。”

該專家表示，今后類似懸索橋進(jìn)行維護(hù)時(shí)，要將此次虎門大橋發(fā)生的情況考慮在內(nèi)，“尤其在沿海地區(qū)”。但該專家也對(duì)《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者表示，不必過于擔(dān)心。“國(guó)內(nèi)的橋梁每年有定檢，就像人一樣每年都有體檢。此外，橋上還裝有健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，專門用于自動(dòng)采集橋體結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力數(shù)據(jù)。”對(duì)于特大橋的養(yǎng)護(hù)，從定點(diǎn)和日常的在線監(jiān)測(cè)這一塊來說，手段是比較齊全的。該專家表示，此次產(chǎn)生的渦激共振，系統(tǒng)都有信號(hào)采集，這些數(shù)據(jù)很寶貴，對(duì)今后分析類似工況會(huì)有幫助。

肖儀清表示，以后如果要做全橋維護(hù)，整個(gè)橋面都要用水馬阻擋，還會(huì)改變斷面氣動(dòng)特性，應(yīng)該盡量先評(píng)估一下，這種評(píng)估現(xiàn)在也比較好做，就是采用CFD計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件平臺(tái)進(jìn)行一些模擬分析，就可以得出一些基本參考結(jié)果。此外，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，也可以收集掌握橋梁全壽命的運(yùn)行信息，可以更好地用于橋梁結(jié)構(gòu)安全預(yù)警和事件之后的安全評(píng)估與原因排查。▲