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新晉網紅熱詞“渦振”是啥意思?

  • 渦振
2020年05月08日

很多新聞報道都提到,相關部門組織專家進行研判,初步判斷虎門大橋振動的主要原因是:沿橋跨邊護欄連續設置水馬,改變了鋼箱梁的氣動外形,在特定風環境條件下,產生了橋梁渦振現象。

今天我們就來聊聊渦振的事情。

1.卡門渦街


渦振是一個很專業的名詞,在這次事件之前并不為人熟知。那什么是渦振呢?這要從“卡門渦街”說起??ㄩT渦街是以空氣動力學泰斗馮·卡門的名字來命名的。馮·卡門這個名字大家未必熟悉,但如果告訴你他是錢學森先生的導師,相信你一定會對這位學術大家肅然起敬的。

卡門渦街是指在一定的速度范圍,流體繞經鈍體時,在其兩側交替形成漩渦脫落,并在其后方排列為對稱的渦旋結構,如下圖:




而當流體繞經“流線型”物體時,則往往會一直“貼著”物體表面流動,不會發生流動分離形成卡門渦街,如下圖:

現代橋梁為了盡量抑制“卡門渦街”的產生,往往通過風洞試驗進行氣動優化選型,采用流線型的橋梁斷面?;㈤T大橋的橋梁斷面也是流線型的,此次發生渦振,專家組的初步判斷就是放置水馬之后,使流線型的鋼箱梁“鈍化”,出現了比較顯著的漩渦脫落,進而造成渦振。

卡門渦街無處不在,尺度范圍跨度極廣,可以從毫米跨越到公里。

下圖是在水槽實驗室中,采用電解沉淀法獲得的圓柱繞流的卡門渦街照片,其尺度僅數厘米。



下圖是風繞經智利塞爾科克島后形成的卡門渦街,其尺度達到數百公里。

2.渦脫落頻率和渦激振動

卡門渦街的漩渦脫落是周期性的,其脫落頻率f可以用斯特勞哈爾數(Strouhal number)來計算:



其中U和b分別是來流速度和鈍體迎風寬度。斯特勞哈爾數是無量綱參數,它和鈍體的外形有關。比如歐洲規范EN1991-1-4《結構作用-風力作用》就給出了常見截面的St數,其中圓形和矩形截面的取值如下:


3.高層建筑和高聳結構的渦振


不止橋梁會出現“渦振”,高層建筑和高聳結構中的渦振現象也很普遍。

設計人員常接觸到的所謂“橫風向振動”,往往就是“渦激振動”。如前所述,卡門渦街是周期性的渦脫落,所以能量比較集中,從下面頻譜的對比中也可看出漩渦脫落的卓爾不群(黑線和紅線分別是順風向湍流和橫風向漩渦脫落脈動風荷載能量在頻域上的分布)。


渦脫落造成的脈動風荷載不僅個性突出,而且極其善變,會隨建筑物外形等因素變化。以矩形截面為例,當迎風寬度和側面寬度變化時,能量譜峰出現了顯著變化。



由于橫風向脈動風荷載能量集中在渦脫落頻率附近,所以當高層和高聳結構的自振頻率與渦脫落頻率接近時,會發生比較強烈的共振,此時橫風向風荷載經常會起控制作用。

就是某超高層的風振計算結果,可以看到在漩渦脫落的激勵下,橫風向(X向)的振幅遠遠大于順風向(Y向),而建筑兩側面藍色深淺的周期性變化,則揭示了在建筑兩側發生的周期性漩渦脫落。

利用橫風向脈動風荷載對外形的敏感性,可以選擇適當的外形減小橫風向渦振。下圖展現了截面形式從扁平狀向流線型變化時,側面漩渦脫落的越來越弱化的演變過程。


此外,在超高層建筑和高聳結構的設計實踐中,還經常采取各種氣動優化措施來破壞周期性的規則渦脫落,或降低渦脫落強度:比如對超高層建筑截面削角、切角,煙囪上纏上螺旋線等等。

有時,建筑師對于建筑造型比較堅持,我們也可以采用TMD或TLD等風振控制措施來抑制高層建筑的橫風向渦振,這個問題我們下次再說。


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