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虎门大桥晃动之谜

发布者: 远和致成  发布时间:2020/5/11 10:58:38
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2020年5月5日下午,正值五一假期返程高峰期,虎门大桥的主航道桥桥面发生起伏晃动,振幅较大,导致大桥封闭,引发公众广泛关注。
 
虎门大桥晃动
虎门大桥晃动
 
虎门大桥为何突发振动?

虎门大桥是一座连接珠江两岸的跨海大桥,其中主航道桥为单跨双铰简支钢箱梁悬索桥,跨度888米。经专家组初步判断,虎门大桥悬索桥振动主要原因是由于沿桥连续设置水马,改变了钢箱梁的气动外形,在特定风环境条件下桥梁产生涡振。
 
什么是涡振?

涡振又叫涡激振动,是大跨度桥梁在低风速下出现的一种风致振动现象
从流体的角度来分析,任何非流线型物体,在一定的恒定流速下,都会在物体两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡。相似的有卡门涡街效应。
 
历史上最著名的悬索桥因风振而破坏的案例要数塔科马海峡大桥了。该桥1940年7月通车四个月后,就在18m/s的风速下扭曲振动而破坏。后续的调查分析显示,卡门涡街是造成这次事故的根本原因。
流体绕过物体时,在物体尾流左右两侧产生的成对的、交替排列的、旋转方向相反的反对称涡旋,因著名力学家冯•卡门而得名卡门涡街。空气流过烟囱、高层建筑时,都会产生卡门涡街。本次事故也引发了人们对桥梁、建筑等风致振动问题的广泛研究。
 
卡门涡街
图1:卡门涡街
 
桥梁、建筑等结构的风振分析非常重要,达索系统SIMULIA的XFlowAbaqus在这类流体和结构仿真方面都有很多应用。
 
气动和结构振动分析
 
XFlow采用格子玻尔兹曼算法,结合大涡模拟,高保真的预测瞬态流动。技术优势在于前处理不需要对流体域进行网格划分,同时表面复杂的几何不再是限制因素,只需设置网格尺寸,全六面体格子可保证网格质量,节省大量前处理时间。XFlow模拟真实的的几何运动,独特的自适应网格细化算法能方便的处理运动几何体壁面附近、尾涡,交界面等压力梯度较大的区域。
 
XFlow拱桥
abaqus提供线性非线性算法
XFlow悬索桥
 
桥梁的最终破坏往往是因为结构振幅过大。Abaqus提供线性、非线性多种算法可以计算桥梁的动力学响应:
另外,XFlow和Abaqus拥有良好的接口,可以进行联合仿真:XFlow计算流场,将涡流载荷传递给Abaqus,Abaqus计算得到桥梁在风振下的结构变形,随后返回给XFlow,如此循环……流场无需网格划分,流固耦合计算具有得天独厚的优势。通过这样实时的数据交互,使真实再现桥梁结构的破坏过程成为可能。
 
CATIA参数化三维设计
 
悬索桥风致侧向扭转屈曲分析
 
悬索桥是目前跨度最大的桥梁结构形式,跨度从几百米到上千米。悬索桥跨度的大幅度增加带来的主要问题是结构刚度的显著下降,这使得风致振动成为结构安全性的主要因素,其中桥梁颤振稳定性是影响风振性能的关键因素。
 
日本明石海峡大桥是世界上最大跨径的悬索桥,主跨度1991m,风致稳定性分析非常重要,分析涉及高度非线性。Abaqus被用来进行该桥的侧向扭振屈曲分析。(该分析来源于SIMULIA全球年会论文,由横滨国立大学Ishihara等人完成)
 
分析中索塔采用B31H单元,主索和吊索采用T3D2H单元。计算共有两个分析步,第一分析步为自重加载,第二分析步为风荷载。风荷载数值随桥面的扭转而变化,数值关系由风洞试验确定。
 
采用Abaqus/Standard求解,风荷载作用下的桥面转角随风速变化曲线如下图所示,桥面扭转角并没有随风速增加而出现突然增加,表明该桥未发生侧向扭转屈曲。
 
总结:
 
大跨度桥梁的风振不仅影响行车的舒适性,甚至会引发整个桥梁的破坏,数值仿真是研究此类问题的重要手段。在达索系统3DEXPERIENCE体验平台上,不仅在桥梁仿真领域,借助SIMULIA能够涵盖从成桥状态、各类静动力特性、车桥耦合振动、稳定性等整体分析,到局部细节模型计算;而且在三维设计阶段,借助CATIA能够完成特大型复杂结构桥梁和常规桥梁在不同设计阶段、不同LOD等级和精细程度的三维模型设计,设计数据在平台内无损传递,实现CAD模型数据与CAE仿真分析一体化。
 
CATIA参数化三维设计
 
三维模型CAD to 仿真分析CAE
三维模型CAD to 仿真分析CAE
 
台湾淡江大桥
台湾淡江大桥
 
远和致成CAE团队介绍
 
王云见——远和致成SIMULIA售前顾问
毕业于青岛科技大学,逆向工程方向,从事自动化设计仿真,专注行业仿真方案的解决:汽车&零部件行业,高科技行业,工程机械行业,轮胎行业;擅长各专业领域的快速仿真解决方案及相应的软件开发;从事制造业仿真分析、缺陷改善、新产品研发仿真,设计仿真一体化解决方案技术研究。
服务过的客户:怡维怡橡胶研究院,中车青岛四方机车,浪潮电子,泰安航天特种车,兴源轮胎集团,森麒麟轮胎,山东美晨生态环境等。 
 
关于远和致成
 
山东远和致成信息科技有限公司是一家专注于为制造企业提供业内领先的数字信息化完整解决方案的高科技公司,是法国达索系统在山东地区的唯一金牌增值服务商,可向用户提供CAD/CAM/CAE/PDM/PLM等各大领域的工业软件解决方案与技术支持,产品线包括CATIA、SIMULIA、DELMIA、ENOVIA、GEOVIA、BIOVIA等。

 

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