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解密虎門大橋晃動之謎

發(fā)布者:凱思軟件發(fā)布日期:2020-05-19瀏覽量:

2020年5月5日下午,正值五一假期返程高峰期,虎門大橋的主航道橋橋面發(fā)生起伏晃動,振幅較大,導(dǎo)致大橋封閉,引發(fā)公眾廣泛關(guān)注。

大橋晃動的原因

虎門大橋是一座連接珠江兩岸的跨海大橋,其中主航道橋為單跨雙鉸簡支鋼箱梁懸索橋,跨度888米。專家組初步判斷,虎門大橋懸索橋振動主要原因是由于沿橋連續(xù)設(shè)置水馬,改變了鋼箱梁的氣動外形,在特定風(fēng)環(huán)境條件下橋梁產(chǎn)生渦振。

渦振

懸索橋以高強度懸索為主要承重構(gòu)件,具有跨越能力大、受力合理、造價經(jīng)濟(jì)的特點。但因其跨度一般較大,結(jié)構(gòu)偏柔,對風(fēng)的作用更加敏感,風(fēng)荷載在設(shè)計中往往起控制作用。歷史上最著名的懸索橋因風(fēng)振而破壞的案例要數(shù)塔科馬海峽大橋了。該橋1940年7月通車四個月后,就在18m/s的風(fēng)速下扭曲振動而破壞。后續(xù)的調(diào)查分析顯示,卡門渦街是造成這次事故的根本原因。

流體繞過物體時,在物體尾流左右兩側(cè)產(chǎn)生的成對的、交替排列的、旋轉(zhuǎn)方向相反的反對稱渦旋,因著名力學(xué)家馮?卡門而得名卡門渦街。空氣流過煙囪、高層建筑時,都會產(chǎn)生卡門渦街。本次事故也引發(fā)了人們對橋梁、建筑等風(fēng)致振動問題的廣泛研究。


圖1:卡門渦街

橋梁、建筑等結(jié)構(gòu)的風(fēng)振分析非常重要,達(dá)索系統(tǒng)SIMULIA的XFlow和Abaqus在這類流體和結(jié)構(gòu)仿真方面都有很多應(yīng)用。

氣動和結(jié)構(gòu)振動分析

XFlow采用格子玻爾茲曼算法,結(jié)合大渦模擬,高保真的預(yù)測瞬態(tài)流動。技術(shù)優(yōu)勢在于前處理不需要對流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,同時表面復(fù)雜的幾何不再是限制因素,只需設(shè)置網(wǎng)格尺寸,全六面體格子可保證網(wǎng)格質(zhì)量,節(jié)省大量前處理時間。XFlow模擬真實的的幾何運動,獨特的自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化算法能方便的處理運動幾何體壁面附近、尾渦,交界面等壓力梯度較大的區(qū)域。

橋梁的最終破壞往往是因為結(jié)構(gòu)振幅過大。Abaqus提供線性、非線性多種算法可以計算橋梁的動力學(xué)響應(yīng):


另外,XFlow和Abaqus擁有良好的接口,可以進(jìn)行聯(lián)合仿真:XFlow計算流場,將渦流載荷傳遞給Abaqus,Abaqus計算得到橋梁在風(fēng)振下的結(jié)構(gòu)變形,隨后返回給XFlow,如此循環(huán)……流場無需網(wǎng)格劃分,流固耦合計算具有得天獨厚的優(yōu)勢。通過這樣實時的數(shù)據(jù)交互,使真實再現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的破壞過程成為可能。

懸索橋風(fēng)致側(cè)向扭轉(zhuǎn)屈曲分析

懸索橋是目前跨度最大的橋梁結(jié)構(gòu)形式,跨度從幾百米到上千米。懸索橋跨度的大幅度增加帶來的主要問題是結(jié)構(gòu)剛度的顯著下降,這使得風(fēng)致振動成為結(jié)構(gòu)安全性的主要因素,其中橋梁顫振穩(wěn)定性是影響風(fēng)振性能的關(guān)鍵因素。

圖2:日本明石海峽大橋

日本明石海峽大橋是世界上最大跨徑的懸索橋,主跨度1991m,風(fēng)致穩(wěn)定性分析非常重要,分析涉及高度非線性。Abaqus被用來進(jìn)行該橋的側(cè)向扭振屈曲分析。(該分析來源于SIMULIA全球年會論文,由橫濱國立大學(xué)Ishihara等人完成)

分析中索塔采用B31H單元,主索和吊索采用T3D2H單元。計算共有兩個分析步,第一分析步為自重加載,第二分析步為風(fēng)荷載。風(fēng)荷載數(shù)值隨橋面的扭轉(zhuǎn)而變化,數(shù)值關(guān)系由風(fēng)洞試驗確定。

圖3:日本明石海峽大橋有限元模型

采用Abaqus/Standard求解,風(fēng)荷載作用下的橋面轉(zhuǎn)角隨風(fēng)速變化曲線如下圖所示,橋面扭轉(zhuǎn)角并沒有隨風(fēng)速增加而出現(xiàn)突然增加,表明該橋未發(fā)生側(cè)向扭轉(zhuǎn)屈曲。

圖4:橋面扭轉(zhuǎn)角結(jié)果

小結(jié)

大跨度橋梁的風(fēng)振不僅影響行車的舒適性,甚至?xí)l(fā)整個橋梁的破壞,數(shù)值仿真是研究此類問題的重要手段。在達(dá)索系統(tǒng)3DEXPERIENCE體驗平臺上,不僅在橋梁仿真領(lǐng)域,借助SIMULIA能夠涵蓋從成橋狀態(tài)、各類靜動力特性、車橋耦合振動、穩(wěn)定性等整體分析,到局部細(xì)節(jié)模型計算;而且在三維設(shè)計階段,借助CATIA能夠完成特大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁和常規(guī)橋梁在不同設(shè)計階段、不同LOD等級和精細(xì)程度的三維模型設(shè)計,設(shè)計數(shù)據(jù)在平臺內(nèi)無損傳遞,實現(xiàn)CAD模型數(shù)據(jù)與CAE仿真分析一體化。


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