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[土木工程] “振动”人心的桥梁设计!

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发表于 2018-11-27 13:45 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  一些不可预料的现象,往往这个创新就意味着可能会有更多新的问题出现,本文就英国千禧桥发生的共振事故做出分析。

  千禧桥事故
  千禧桥是位于英国伦敦泰晤士河上的一座新颖别致的景观桥,于2000年6月10日正式开放,桥梁的造型艺术和结构的形式上都有不少的创新,设计师在结构和动力设计上都是遵循规范的,但是在开通第一天就出现了共振现象。

  共振是物理学上的一个运用频率非常高的专业术语。共振的定义是两个振动频率相同的物体,当一个发生振动时,引起另一个物体振动的现象。共振现象是自然界最普遍的和最频繁的现象之一,也是可以导致桥梁发生事故的原因之一,在桥梁设计建造当中,都会去规避共振现象。

  开放当天大约有十万人聚集在千禧桥附近,据说最多的时候有两千人在桥上,但是当行人刚刚开始通过桥梁的时候,突然发现桥梁发生横向的侧移,横向的移动变得非常之大,人在桥上难以保持平衡。

  结构设计
  现在看千禧桥的设计依然非常漂亮前卫,桥梁分为三跨:北跨81米,中跨144米,南跨108米。千禧桥是一个浅悬索桥,主缆布置得非常低,一共是两组,分两侧一侧一组,每组四根120毫米的钢缆,这个设计主要是为了让这个城市的景色能一览无余,桥面宽四米,沿着纵向每隔八米设一道横梁,在混凝土墩的墩顶处,每个墩顶有一个微型钢托架,钢托架通过高强预应力钢筋与桥墩里预埋件进行连接。桥面仅仅由每隔8米的横梁和V型钢托架来支撑,桥墩不接触桥面。

  事故原因
  千禧桥是一个柔度比较大的悬索桥结构,在结构设计过程中包括了最常规的静力和动力的分析,作为一座人行桥而言,荷载类型和工况组合没有没那么复杂,所以对人群荷载和风荷载进行了验算,验算是从英国的设计规范来取值,说明这一切的设计和计算都是符合规范要求的,而且结构本身也没有出现开裂或者其他明显的损伤。对于施工质量的调查呢也没有发现问题,那么为什么会出现这个问题呢?

  加固措施
  那么,事故发生后如何采取加固措施呢?

   · 第一个思路就是限制桥上行人的数量,但是这个桥梁是一个景观桥,要首先要满足服务于市民,服务于游客的目的,所以限制人数,是行不通的。

   · 第二个思路是提高桥梁现有的自振频率,使得受迫频率和自振频率有比较大的差异,以中跨0.5Hz为例,要将此频率提高至少三倍或者三倍以上才可以,频率的平方和刚度成正比,作为一个已经施工完成的桥梁言,要是想在桥梁上增加一个构件,使得它的刚度至少提高九倍之多,这是非常困难的,可能会影响桥梁的造型,美观。

   · 第三个思路是基于可行性原则和保持原有设计方案原则,选择采用阻尼耗散的方式来减少发生共振的可能性,增加这个装置主要是通过被动或者是主动系统来减轻结构的振动。主动系统本质上是通过计算机来进行控制的,通过传感器获取桥梁的基本的震动形态,然后通过计算机来进行计算和分析,最后反馈到桥上安装的阻尼器上进行减少桥梁振动的操作。被动的系统就不需要计算机控制,它主要是在随着结构同步发生运动的过程当中,有一个能量耗散装置。

  最终千禧桥上安装了37个流体粘滞阻尼器,因为重量小,寿命长,安装方便,而且体粘滞阻力器能够在比较宽的频率范围内和小振幅下实现阻尼的效果。安装上之后效果还是很明显的,将桥梁的动态响应降低了40多倍,后期又进行了多次的人群行走的实验,结果表明,再也没有发生过共振。2002年2月22日,千禧桥正式重新向公众开放,据估计自那以后每年要服务全球的400多万人

  经验教训
  通过千禧桥这个事故可以说明,虽然设计师在千禧桥的结构和动力设计上遵循每一条规范的规定,但是他们没有预见到有人群同步的现象的形成和影响。当然这不是他们没预见到的,谁也预见不到这个现象。

  这个影响之所以在其他的桥上没有考虑,或者说现象不明显,没有引起大家的重视。一个重要的因素就是其他的桥梁并不像千禧桥这样的纤细,应该说在桥梁的造型艺术和结构的形式上都有不小的创新。然而往往这个创新就意味着可能会有更多的新的问题出现。幸运的是千禧桥遇到的这个问题不是大问题,所以当我们遇到一个新型的结构要进行创新的时候,一定要倍加小心。如今的这个结构,尤其是景观桥人行桥对于造型来说要求越来越高,这对我们工程技术人员来说提出了更高的要求。

  在满足规范和要求的各项指标之后,应尽可能的多考虑一些其他的工况,至少可以尽可能的提高一些安全储备,一旦发生问题时可以及时的处理,把损失降到最小。

  来源:路桥技术网

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