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漩渦風造成虎門大橋橋面震動,橋樑、超高層如何消除風力影響

5月5日下午14時許,虎門大橋懸索橋因水馬改變鋼箱梁的氣動外形,橋面發生震動。目前,橋面水馬已經撤下,橋面的震動明顯減輕。橋面震動是否給大橋帶來安全影響仍然在進一步調查。

一個小小的改變都可能引起構築物的巨大反應。在風力較大的情況下,虎門大橋因為水馬產生了巨大的震動,而自然界的極端環境則可能對構築物造成更大的影響。那麼,大型橋樑、超高層建築是如何消除風力影響的呢?

卡門渦街

卡門渦街是引起此次虎門大橋橋面震動的罪魁禍首。水馬改變了大橋的共振特性,當氣流穿過時,將週期性的產生兩串平行的反向漩渦,當漩渦的頻率與大橋的振動頻率相接近時,將引起共振行為。而當振動足夠大時,構築物結構就會受損甚至發生不可逆變化。

也就是說,減少渦激振動是減輕風力對構築物影響的關鍵因素,而切割風的反向則是主要手段。

切割風向

大型橋樑,尤其是斜拉橋,懸索橋等橋樑對風力特別敏感,因此在設計之初就會考慮風力的影響。防範手段主要在於切割風向,利用橋樑一側的風嘴將來風切割,起到減緩漩渦形成的作用。

超高層建築也可採用這種方法避免風力的影響。如上海國際金融中心,其鋒利、直挺的外形將避免風力的大量聚集,同時,其頂部的開口使得風得以順利流過,也在一定程度上減少了風力影響。

▲上海金融大廈使用外形和風口減小風力影響

阻尼器

利用阻尼器是有效減少高層建築風力影響的手段之一。在建造時期,建築物的頂部將放置一個特別重的物體(一般是金屬)。在大風來臨時,這種金屬塊將有效地約束建築物的重心變化範圍,控制建築物的擺動幅度。上海中心大廈是其中的一個典型代表。

▲上海中心大廈使用1000噸阻尼器維持大風下建築中心穩定

利用風力漩渦

另外一個方法是利用風力漩渦對建築物的作用力,使其分散在各個不同的方向上。想象盪鞦韆時,兩腿有規則的搖擺帶來的鞦韆高度明顯高於兩腿隨意搖擺時鞦韆的高度。當高層建築利用風力漩渦時,在建築物周圍可形成數十個風力漩渦。這就相當於我們盪鞦韆時,下面有數十條腿向各個方向隨意搖擺,我們的鞦韆永遠蕩不高。迪拜的阿利法塔就是使用這一原理避免風力影響。

這種方法同樣需要建築物外形設計。