1. 研究背景

2020年虎门大桥的振动引起了学术界和网民的广泛关注和讨论。许多土木工程领域的学者首先指出，这应该是比较常见的大跨度桥梁的涡激振动，对桥梁的破坏并不剧烈。然而，许多自媒体引用了1940年塔科马大桥的倒塌事件来说明涡激振动的严重性和破坏性。简单搜索一下"涡激振动"、"卡门涡街"和"塔科马大桥"，就会发现"卡门涡旋诱发了结构失稳，颤振是塔科马大桥倒塌的原因"这一描述。

当流体在障碍物周围流动时，会发生周期性的涡脱落，这就产生了所谓的涡街。由于冯·卡门（美国航天之父，钱学森的导师）最先研究该现象，故被命名为卡门涡街。卡门涡街在自然界中经常出现，经典的圆柱障碍物卡门涡街数值模拟，对理解卡门涡街对各种技术应用很有意义。

图1  圆柱障碍物的卡门涡街模拟图

实际上，如图2所示流体在绕过不同形状障碍物时的表现不完全一样，简单用圆柱形状对障碍物进行简化是不准确的。因此，卡门涡街的工程分析需考虑研究对象真实的几何形状，获得的模拟结果结合风洞试验可为工程实践中桥梁结构设计提供有效的指导。

图2  流体绕过不同障碍物的卡门涡街模拟图

 

2. 研究对象

以某悬索桥梁为研究对象，三维的桥梁可以简单看作桥梁横截面在纵向上的拉伸，因此简化为如图3所示的二维问题。

图3  某悬索桥梁的横截面

 

3. 有限元建模

采用ABAQUS CFD模块进行建模和计算，悬索桥梁在持续8级强风（速度20m/s）作用下的涡激振动有限元模型如图4所示，边界条件如图5所示。

图4  桥梁涡激振动的有限元模型

图5  桥梁涡激振动的边界条件

 

4. 计算结果

速度场计算结果如图6所示，在桥梁上下选择两个对称点测量速度随着时间的变化如图7所示。

图6  桥梁涡激振动的计算结果

图7  桥梁上下某两个对称点的速度演变

 

5. 优化设计

在桥梁设计时，可通过桥梁气动外形修型，适当增加结构阻尼等方法避免和减缓在设计工况下的桥梁的风致振动。下面以一种优化后的桥梁横截面为例，计算优化后的模拟结果。

图8  某悬索桥梁的优化横截面

在相同条件下的涡激振动计算结果如图9所示，同样的，在桥梁上下选择两个对称点测量速度随着时间的变化如图10所示。

图10  优化后桥梁上下某两个对称点的速度演变

6. 结论

（1）ABAQUS CFD模块能有效地模拟桥梁涡激振动；

（2）ABAQUS数值模拟可以计算强风作用下桥梁周围的空气动力学特征；

（3）优化后的桥梁横截面减弱了涡激振动现象，能为实际工程提供参考。

图11  优化前后桥梁周围的空气动力学特征

7. 计算配置

处理器：Intel(R) Core(TM) i7-9700K CPU @ 3.60GHz

内存：32G

计算时间：5H

 

8. 参考资料

维基百科卡门涡街词条: en.wikipedia.org

任少铎. 卡门涡街的成因及虎门大桥的振动分析[J]. 物理教师, 2020, 41(09): 57-59+61.

张伟伟, 豆子皓, 李新涛, 高传强. 桥梁若干流致振动与卡门涡街[J]. 空气动力学学报, 2020, 38(03): 405-412.

 

Abaqus分析模型.zip

桥梁涡激振动问题的ABAQUS数值模拟-iCPFEM.pptx

卡门涡街的成因及虎门大桥的振动分析_任少铎.pdf

桥梁若干流致振动与卡门涡街_张伟伟.pdf