谁晃动了虎门大桥？
谁晃动了虎门大桥？
2020年5月5日下午，正值五一假期返程高峰期，虎门大桥的主航道桥桥面发生起伏晃动，振幅较大，导致大桥封闭，引发公众广泛关注。
01丨桥动缘起于风
虎门大桥是一座连接珠江两岸的跨海大桥，其中主航道桥为单跨双铰简支钢箱梁悬索桥，跨度888米。专家组初步判断，虎门大桥悬索桥振动主要原因是由于沿桥连续设置水马，改变了钢箱梁的气动外形，在特定风环境条件下桥梁产生涡振。
4月26日，同为悬索桥的武汉鹦鹉洲大桥桥面也出现上下晃动现象，该晃动同样由风振引起。
悬索桥以高强度悬索为主要承重构件，具有跨越能力大、受力合理、造价经济的特点。但因其跨度一般较大，结构偏柔，对风的作用更加敏感，风荷载在设计中往往起控制作用。历史上最著名的悬索桥因风振而破坏的案例要数塔科马海峡大桥了。该桥1940年7月通车四个月后，就在18m/s的风速下扭曲振动而破坏。后续的调查分析显示，卡门涡街是造成这次事故的根本原因。
流体绕过物体时，在物体尾流左右两侧产生的成对的、交替排列的、旋转方向相反的反对称涡旋，因著名力学家冯•卡门而得名卡门涡街。空气流过烟囱、高层建筑时，都会产生卡门涡街。本次事故也引发了人们对桥梁、建筑等风致振动问题的广泛研究。
图1：卡门涡街
桥梁、建筑等结构的风振分析非常重要，达索系统SIMULIA的XFlow和Abaqus在这类流体和结构仿真方面都有很多应用。
02丨气动和结构振动分析
XFlow采用格子玻尔兹曼算法，结合大涡模拟，高保真的预测瞬态流动。技术优势在于前处理不需要对流体域进行网格划分，同时表面复杂的几何不再是限制因素，只需设置网格尺寸，全六面体格子可保证网格质量，节省大量前处理时间。XFlow模拟真实的的几何运动，独特的自适应网格细化算法能方便的处理运动几何体壁面附近、尾涡，交界面等压力梯度较大的区域。
桥梁的最终破坏往往是因为结构振幅过大。Abaqus提供线性、非线性多种算法可以计算桥梁的动力学响应：
另外，XFlow和Abaqus拥有良好的接口，可以进行联合仿真：XFlow计算流场，将涡流载荷传递给Abaqus，Abaqus计算得到桥梁在风振下的结构变形，随后返回给XFlow，如此循环……流场无需网格划分，流固耦合计算具有得天独厚的优势。通过这样实时的数据交互，使真实再现桥梁结构的破坏过程成为可能。
03丨悬索桥风致侧向扭转屈曲分析
悬索桥是目前跨度最大的桥梁结构形式，跨度从几百米到上千米。悬索桥跨度的大幅度增加带来的主要问题是结构刚度的显著下降，这使得风致振动成为结构安全性的主要因素，其中桥梁颤振稳定性是影响风振性能的关键因素。
图2：日本明石海峡大桥
日本明石海峡大桥是世界上最大跨径的悬索桥，主跨度1991m，风致稳定性分析非常重要，分析涉及高度非线性。Abaqus被用来进行该桥的侧向扭振屈曲分析。（该分析来源于SIMULIA全球年会论文，由横滨国立大学Ishihara等人完成）
分析中索塔采用B31H单元，主索和吊索采用T3D2H单元。计算共有两个分析步，第一分析步为自重加载，第二分析步为风荷载。风荷载数值随桥面的扭转而变化，数值关系由风洞试验确定。
图3：日本明石海峡大桥有限元模型
采用Abaqus/Standard求解，风荷载作用下的桥面转角随风速变化曲线如下图所示，桥面扭转角并没有随风速增加而出现突然增加，表明该桥未发生侧向扭转屈曲。
图4：桥面扭转角结果
04丨小结
大跨度桥梁的风振不仅影响行车的舒适性，甚至会引发整个桥梁的破坏，数值仿真是研究此类问题的重要手段。在达索系统3DEXPERIENCE体验平台上，不仅在桥梁仿真领域，借助SIMULIA能够涵盖从成桥状态、各类静动力特性、车桥耦合振动、稳定性等整体分析，到局部细节模型计算；而且在三维设计阶段，借助CATIA能够完成特大型复杂结构桥梁和常规桥梁在不同设计阶段、不同LOD等级和精细程度的三维模型设计，设计数据在平台内无损传递，实现CAD模型数据与CAE仿真分析一体化。
图5：CATIA参数化三维设计
图6：台湾淡江大桥
图7：三维模型CAD to 仿真分析CAE
随着水马的撤去，虎门大桥的振动并未完全消失，想必又将激发人们长久的思索……
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