1. 研究背景

2020年虎門大橋的振動引起了學術界和網民的廣泛關注和討論。許多土木工程領域的學者首先指出，這應該是比較常見的大跨度橋梁的渦激振動，對橋梁的破壞并不劇烈。然而，許多自媒體引用了1940年塔科馬大橋的倒塌事件來說明渦激振動的嚴重性和破壞性。簡單搜索一下"渦激振動"、"卡門渦街"和"塔科馬大橋"，就會發現"卡門渦旋誘發了結構失穩，顫振是塔科馬大橋倒塌的原因"這一描述。

當流體在障礙物周圍流動時，會發生周期性的渦脫落，這就產生了所謂的渦街。由于馮·卡門（美國航天之父，錢學森的導師）最先研究該現象，故被命名為卡門渦街。卡門渦街在自然界中經常出現，經典的圓柱障礙物卡門渦街數值模擬，對理解卡門渦街對各種技術應用很有意義。

圖1  圓柱障礙物的卡門渦街模擬圖

實際上，如圖2所示流體在繞過不同形狀障礙物時的表現不完全一樣，簡單用圓柱形狀對障礙物進行簡化是不準確的。因此，卡門渦街的工程分析需考慮研究對象真實的幾何形狀，獲得的模擬結果結合風洞試驗可為工程實踐中橋梁結構設計提供有效的指導。

圖2  流體繞過不同障礙物的卡門渦街模擬圖

 

2. 研究對象

以某懸索橋梁為研究對象，三維的橋梁可以簡單看作橋梁橫截面在縱向上的拉伸，因此簡化為如圖3所示的二維問題。

圖3  某懸索橋梁的橫截面

 

3. 有限元建模

采用ABAQUS CFD模塊進行建模和計算，懸索橋梁在持續8級強風（速度20m/s）作用下的渦激振動有限元模型如圖4所示，邊界條件如圖5所示。

圖4  橋梁渦激振動的有限元模型

圖5  橋梁渦激振動的邊界條件

 

4. 計算結果

速度場計算結果如圖6所示，在橋梁上下選擇兩個對稱點測量速度隨著時間的變化如圖7所示。

圖6  橋梁渦激振動的計算結果

圖7  橋梁上下某兩個對稱點的速度演變

 

5. 優化設計

在橋梁設計時，可通過橋梁氣動外形修型，適當增加結構阻尼等方法避免和減緩在設計工況下的橋梁的風致振動。下面以一種優化后的橋梁橫截面為例，計算優化后的模擬結果。

圖8  某懸索橋梁的優化橫截面

在相同條件下的渦激振動計算結果如圖9所示，同樣的，在橋梁上下選擇兩個對稱點測量速度隨著時間的變化如圖10所示。

圖10  優化后橋梁上下某兩個對稱點的速度演變

6. 結論

（1）ABAQUS CFD模塊能有效地模擬橋梁渦激振動；

（2）ABAQUS數值模擬可以計算強風作用下橋梁周圍的空氣動力學特征；

（3）優化后的橋梁橫截面減弱了渦激振動現象，能為實際工程提供參考。

圖11  優化前后橋梁周圍的空氣動力學特征

7. 計算配置

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

內存：32G

計算時間：5H

 

8. 參考資料

維基百科卡門渦街詞條: en.wikipedia.org

任少鐸. 卡門渦街的成因及虎門大橋的振動分析[J]. 物理教師, 2020, 41(09): 57-59+61.

張偉偉, 豆子皓, 李新濤, 高傳強. 橋梁若干流致振動與卡門渦街[J]. 空氣動力學學報, 2020, 38(03): 405-412.

 

Abaqus分析模型.zip

橋梁渦激振動問題的ABAQUS數值模擬-iCPFEM.pptx

卡門渦街的成因及虎門大橋的振動分析_任少鐸.pdf

橋梁若干流致振動與卡門渦街_張偉偉.pdf