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(dòng)，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(dòng)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?yàn)閱慰珉p鉸簡(jiǎn)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(dòng)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(dòng)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(qiáng)度懸索為主要承重構(gòu)件，具有跨越能力大、受力合理、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。但因其跨度一般較大，結(jié)構(gòu)偏柔，對(duì)風(fēng)的作用更加敏感，風(fēng)荷載在設(shè)計(jì)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(gè)月后，就在18m/s的風(fēng)速下扭曲振動(dòng)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(shí)，在物體尾流左右兩側(cè)產(chǎn)生的成對(duì)的、交替排列的、旋轉(zhuǎn)方向相反的反對(duì)稱渦旋，因著名力學(xué)家馮?卡門而得名卡門渦街?？諝饬鬟^煙囪、高層建筑時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生卡門渦街。本次事故也引發(fā)了人們對(duì)橋梁、建筑等風(fēng)致振動(dòng)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(dòng)和結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(cè)瞬態(tài)流動(dòng)。技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于前處理不需要對(duì)流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)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(shí)間。XFlow模擬真實(shí)的的幾何運(yùn)動(dòng)，獨(dú)特的自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化算法能方便的處理運(yùn)動(dòng)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?yàn)榻Y(jié)構(gòu)振幅過大。Abaqus提供線性、非線性多種算法可以計(jì)算橋梁的動(dòng)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(jì)算流場(chǎng)，將渦流載荷傳遞給Abaqus，Abaqus計(jì)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(chǎng)無需網(wǎng)格劃分，流固耦合計(jì)算具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。通過這樣實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互，使真實(shí)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(dòng)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(huì)論文，由橫濱國(guó)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(jì)算共有兩個(gè)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(yàn)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(gè)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(yàn)平臺(tái)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(dòng)力特性、車橋耦合振動(dòng)、穩(wěn)定性等整體分析，到局部細(xì)節(jié)模型計(jì)算；而且在三維設(shè)計(jì)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(jì)階段、不同LOD等級(jí)和精細(xì)程度的三維模型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在平臺(tái)內(nèi)無損傳遞，實(shí)現(xiàn)CAD模型數(shù)據(jù)與CAE仿真分析一體化。

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