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揭秘港珠澳大橋抗風振裝置設計
新聞中心|中國常州網 常州第一門戶網 常州龍網 常州日報 常州晚報    http://www.yabgxu.tw          2019-02-17 11:21

  也有阻尼器是真的“悠悠球”形狀。101大樓掛置著阻尼器,主體是一個600多噸重的大鋼球。

  港珠澳大橋如何有效抗擊16級強風?答案也許與藏在橋箱里的一個神秘裝置有關。2018年12月21日,在琶洲國際會展中心舉辦的“無邊界·科技生活”中國海歸產業高峰論壇上,我國著名振動控制專家、港珠澳大橋抗風振裝置的設計者—尹學軍,向觀眾分享了橋梁抗風振調諧質量減振器(TMD)減振系統。該技術是港珠澳大橋得以成功抗擊臺風“山竹”侵襲的關鍵技術。

  101大樓是的一個地標性建筑,那里懸掛著的一顆大鋼球吸引了許多游客目光。這個金屬球直徑5 .5米,重達660噸,懸掛一個600多噸重的大鋼球僅僅為了觀賞?尹學軍介紹,這個金屬球就是一個阻尼器,當風來臨時,大樓會產生強烈擺動,金屬球可與大樓的擺動周期一致,但是方向相反。當大樓向右擺動時,金屬球會向左擺動,從而能最大限度地抵消受風侵襲時大樓的擺幅及其擺動能量。

  這顆金屬球便運用了TMD技術,它可以增加建筑的耗能能力。尹學軍解釋,TMD是調諧質量減振器(tuned massdamper)的英文縮寫,也是港珠澳大橋抵御超強臺風的核心裝置,使用該技術,臺風來的時候,共振會大大減小。據了解,尹學軍團隊為港珠澳大橋設計了懸掛式調諧質量減振器,由彈簧、阻尼器、質量塊組成。雖然它高約3米、重達4噸以上,但非常靈敏,參數精確可調,而且免維護。

  港珠澳大橋是世界上最長的跨海大橋,也是世界上最長的鋼鐵大橋,設計使用壽命長達120年。而伶仃洋海域是臺風活躍地,每年超過6級以上風速的時間接近200天。強風吹來時,在橋面附近形成漩渦,形成周期性向上向下的吸拉波動。當波動的頻率和橋自身頻率重合時,就會產生共振,橋便如同秋千般激蕩起來,“像打秋千一樣,風激起橋梁結構的振動,使整個橋激蕩起來”。振幅就會越來越大,最后在一個振幅上維持平衡,風輸入的能量與橋耗的能量在此刻也維持了平衡。如果振動控制措施不當,橋梁安全和疲勞壽命會受到影響。尹學軍表示,“這個時候振幅一般比較大,不利于橋梁120年的超長壽命,甚至會影響橋梁的安全,所以需要增加橋梁的阻尼,”尹學軍進一步補充道,“阻尼是指耗能的能力,港珠澳大橋有多跨連續鋼箱梁,阻尼小,實測只有0.5%~0.7%。”

  阻尼要達到多少才能有效抗擊16級強風?經過多次試驗分析,專家們要求安裝完TMD后,橋梁的阻尼比須達到1.0%以上。據悉,當92個調諧質量減振器最大質量在4噸時,橋梁阻尼比剛好滿足1%。但尹學軍認為這樣的設計,缺乏足夠的安全裕量。于是他決定將最大的減振器的質量,由4噸提高到4.8噸,阻尼也從1%增加到了平均1.4%。

  抗風振TMD減振系統如何運行?尹學軍介紹,港珠澳大橋的TMD高3米左右,只需要把TMD的彈簧掛在鋼箱梁里面的框架上,“減振技術中,唯有TMD不需要支點,一掛就行”。懸掛質量塊時彈簧就吊起質量塊,TMD的頻率與鋼箱梁頻率非常接近。當風吹來時,引發橋體振動,這時候掛著的質量塊會自動反相位振動,“橋往上它往下,橋往下它往上,彈簧進而不斷拉長、壓縮”。和彈簧并連的阻尼器是耗能器,在這個過程中消耗掉能量并轉化成熱量,實際上風能也隨之轉化成為熱量。所以“山竹”臺風來臨時橋體振動很小,橋的安全得到保障。

  “阻尼器更像平衡擺,像悠悠球,通過反相位振動,能量能相互消化掉,阻尼器取自于風的能量又可以消掉風的能量。”尹學軍解釋道。橋梁雖然有天然的抗風能力,但不能保證不發生共振,振幅可能偏大,風大了甚至需要關橋,影響運行。尹學軍表示,有了減振器,橋的振幅可以滿足全天候通行。臺風來的時候港珠澳大橋的振幅,不會造成橋梁的疲勞損壞,疲勞、壽命等問題正是靠這項技術來保證的。

  據了解,港珠澳大橋主體工程分為橋梁工程和島隧工程,橋梁工程長22.9公里。其中7.5公里的橋箱內,安裝了尹學軍團隊設計的92個調諧質量減振器。能為這樣一項超級工程定制抗風振裝置并非易事。在生產安裝上,調諧質量減振器有35萬個零件。這些獨立的零件需要被運到鋼箱梁內部,然后再組裝在一起。但鋼箱梁拼接完成后約3米高的TMD無法放進橋箱內部,“因此需要提前把零件放進鋼箱梁,一段一段的,等鋼箱梁運到海上拼接在一起后,我們鉆到橋洞里再把阻尼器組裝起來”。

  平日里的風較小,難以吹動橋體,調試過程中,如何使橋振動起來?團隊人員通過查閱文獻,最終決定將卡車開過去,“時速30公里,橋根本不動,后來讓車慢慢慢慢……最后慢下來振起來,上減速帶,開過減速帶,輪子開過減速帶的時間和TMD振蕩的時間是吻合的,形成共振,成功創造出風振測試環境”,尹學軍回憶,風5級的時候,能通過精密儀器捕捉到振動信號,進而可以開始調試,后來又用5級以上的風來進行測試。

  據了解,為測試調諧質量減振器抗疲勞強度,尹學軍團隊在工廠里做了300萬次疲勞試驗,“TMD120年可能也遇不上這么大的振幅、這么多次數”,從疲勞試驗、首套驗收到最終現場調試,最后實測阻尼比超過了設計阻尼比,“最讓我放心的還是經過了山竹的實戰檢驗,山竹的風速是我們設計時所能達到的最大風速,16級55米每秒風速,在開通之前臺風來臨,這是一場實戰檢驗的機會。”

  1940年秋,一場八級大風襲擊美國華盛頓州,塔科馬大橋在強風作用下發生振動。隨著振幅不斷增大,整個橋梁處于強力顛簸狀態,最后結構垮塌,大橋被摧毀,多輛汽車也隨之墜入海峽,此次橋梁事故震驚世界,也拉開了橋梁抗風研究的序幕。

  以前如果地鐵從地下開過,附近的居民會聽到地鐵明顯的嗡嗡聲,“后來我們采用道床隔振技術解決了,如果地鐵在高架上過,把鋼軌放在混凝土板和彈簧上,這樣板就有彈性,輪軌行駛的時候振動就會衰減90%以上,居民便不會察覺到地鐵的運行。”除此之外,尹學軍團隊針對輪軌噪聲研發的原創阻尼技術也處于世界領先水平,幼兒園、學校、醫院、古建筑鐘樓、科研院所等地鐵沿線的建筑是重點保護對象。

  20年前我國振動控制技術高端領域基本空白,無法滿足我國大型設備、大型工程的振動控制需求,制約多個行業發展,“當時是小型橡膠隔振器,沒有預測技術等”,尹學軍介紹。據悉,20年來,振動控制技術在工業領域、軌道交通領域和建筑橋梁領域得到推廣運用,尹學軍團隊總共完成了9000多項工程,24個城市的地鐵已經運營,運行里程達260公里,包括四五條廣州地鐵線。

  上海交響樂團音樂廳的減振技術,也被藝術家們稱為科學為藝術服務的典范。尹學軍表示,該音樂廳與地鐵相距僅7米,成功運用了建筑物的整體隔振技術,有效隔離了地鐵運行及道路交通對音樂廳內產生的振動噪聲影響。尹學軍團隊的研究成果也廣泛應用于航空航天、各類電站(核電、火電、水電和風電等)、高端裝備制造等領域數千臺套大型裝備,填補了振動控制應用領域的空白。

 
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