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1、60年后塔科马大桥的空气动力研究万田保4560年后塔科马大桥的空气动力研究编译万田保(中铁大桥勘测设计院,湖北武汉430050)摘要:以全新研究方法探讨60年前导致塔科马桥倒塌的气动失效的机理,揭示出气动失稳机理与桥梁迎风面主梁大型旋涡的形成和移动有关。通过对旋涡形成和脱落的经典模式进行系统描述,预测失稳的起始临界风速,并为数字化模拟和实验结果所验证。研究表明,塔科马桥横截面经改进后可防止大型旋涡的形成或者减少气动动力,从而提高桥梁的气动稳定性。关键词:悬索桥;振动;扭转;模拟;稳定分析中图分类号:U448.25;
2、TU311.3文献标识码:A文章编号:1003-4714(2001)04-0045-051引言阐述,并提出增大塔科马老桥气动稳定性设计的建议。60年以前的1940年11月7日,美国华盛顿州新建成的塔科马悬索桥,在风速为19m/s的大风中加劲梁2关于塔科马桥失稳的研究经受70min的剧烈振动后垮塌,振动中主跨1/4点附近2.1以往的研究扭角振幅约±35°(图1)。损毁塔科马桥的这种扭转振塔科马桥垮塌后,由美国公共道路局及华盛顿州收动在此前其较短的服务期内从未出现,但自1940年7费桥梁当局联合发起了大规模的气动调查研
3、究。研究月1日开通运营以来,即使微风轻拂,加劲梁的竖向振在华盛顿大学Farquharson教授带领下进行,以弄清桥动也经常发生。这种竖向振动在一定程度上引起当地梁失效的原因,并为悬索桥的抗风设计提供指南。研究公众的注意,并为该桥赢得“疾驰Gertie”的绰号;另一方结果编成5卷报告,内容包括:(1)风致桥梁损毁的历史面,该振动引起了密切监测桥梁振动型式的结构工程师性回顾;(2)悬索桥结构动力学;(3)悬索桥气动分析的的高度关注。平板势流理论;(4)全桥模型及节段模型的风洞试验技术;(5)跨越塔科马海峡新悬索桥的气动
4、设计。该报告在桥梁气动领域公认具有里程碑意义,但报告并未给出引起桥梁剧烈扭弯振动的气动机理;另一方面,暗示加劲梁气动失稳源于旋涡以某种方式或其它形式的形成。由冯·卡门和杜恩在加州理工学院进行了风洞试验,实验指出自激振动源于垂直主梁的迎风面的旋涡脱落,它发表在华盛顿大学研究报告的第3卷。该结论基于对扭转失稳的观察—当取消风洞试验模型的竖向主梁时,扭转失稳现象消失。其它几项研究以为气动失稳机理提供证据作为目图1塔科马桥扭转振动标而开展,但没有成功,难以让人感到满意的解释被载20世纪初,悬索桥设计在经过发展之后,低刚度的
5、入有影响的工程教科书中,如DenHartog在《机械振动》加劲梁受到青睐,有关文献中所记载的19世纪中叶悬一书中所述“:桥梁垮塌之后的这些年,在华盛顿大学专索桥气动失效的教训被忽视。时至今日,仍不完全清楚门建造的风洞中进行了复杂的试验,现在已经清楚大桥的是导致自激扭弯振动的流体动力学机理,以及设计中损毁源自卡门涡街”。与杜恩一同在加州理工学院桥梁如何预测抵抗该类失稳所需要的结构能力。气动风洞工作的Fung,1993年出版了名为《气动弹性理本文旨在对流体与结构的相互作用现象给出详细论介绍》一书,该书的前言中断言“可以
6、确信卡门涡街是收稿日期:2001-06-12编译者简介:万田保(1966-),男,高级工程师,1988年毕业于西南交通大学,工学学士。46国外桥梁2001年第4期桥梁损毁的原因”。书中,Fung特别提到有价值的资料至可由力学原理预估。不足以对基本现象作出全面解释,因而持悲观论点。普2.2最新研究遍将桥梁损毁与卡门涡街联系到一起,也是可以理解从华盛顿大学发布塔科马桥垮塌的调查报告以来,的,例如在著名的演示塔科马桥垮塌的教育片中,方形桥梁的气动研究稳步向前发展,最近的进展是改进加劲截面水槽流迹实验显示了涡街的形成。梁外
7、形及验证气动特性的计算机模拟应用。与物理实由于对塔科马桥的失稳机理研究不透彻,促使大学验相比,计算机模拟除节省费用外,还可直接模拟结构物理课本中的相关论述出现错误。大量实例中,桥梁的振动、流体作用力,并可直接模拟流场。现在,要弄清促扭转振动被作为桥梁自振与卡门涡街激振发生共振的使塔科马桥垮塌的流体与结构间相互作用的机理,计算例证加以描绘。在1991年重新修订物理课本时,Billah机的这类应用必不可少。和Scanlan通过证明桥梁扭转振动与该旋涡脱落频率完全不同步直接给出证据,表明扭转振动与卡门涡街无3扭转失稳机理
8、关。他们还指出可以通过气动阻尼风洞试验预测失稳如下所述的失稳机理源于对离散的旋涡计算程序的发生,该方法由Scanlan于1971年倡导发起,并为Far2DVMFLOW适用性的判定,该程序模拟桥梁的气动特quharson原始报告中阻尼试验所证实。在为气动失稳征,包括稳定荷载系数、颤振稳定性以及旋涡脱落激励。机理找寻物理解释的努力中,Billah和Scanlan
