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

大橋晃動(dòng)的原因

虎門(mén)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(jiǎn)支鋼箱梁懸索橋，跨度888米。專(zhuān)家組初步判斷，虎門(mén)大橋懸索橋振動(dòng)主要原因是由于沿橋連續設置水馬，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

懸索橋以高強度懸索為主要承重構件，具有跨越能力大、受力合理、造價(jià)經(jīng)濟的特點(diǎn)。但因其跨度一般較大，結構偏柔，對風(fēng)的作用更加敏感，風(fēng)荷載在設計中往往起控制作用。歷史上最著(zhù)名的懸索橋因風(fēng)振而破壞的案例要數塔科馬海峽大橋了。該橋1940年7月通車(chē)四個(gè)月后，就在18m/s的風(fēng)速下扭曲振動(dòng)而破壞。后續的調查分析顯示，卡門(mén)渦街是造成這次事故的根本原因。

流體繞過(guò)物體時(shí)，在物體尾流左右兩側產(chǎn)生的成對的、交替排列的、旋轉方向相反的反對稱(chēng)渦旋，因著(zhù)名力學(xué)家馮?卡門(mén)而得名卡門(mén)渦街?？諝饬鬟^(guò)煙囪、高層建筑時(shí)，都會(huì )產(chǎn)生卡門(mén)渦街。本次事故也引發(fā)了人們對橋梁、建筑等風(fēng)致振動(dòng)問(wèn)題的廣泛研究。

圖1：卡門(mén)渦街

橋梁、建筑等結構的風(fēng)振分析非常重要，達索系統SIMULIA的XFlow和Abaqus在這類(lèi)流體和結構仿真方面都有很多應用。

氣動(dòng)和結構振動(dòng)分析

XFlow采用格子玻爾茲曼算法，結合大渦模擬，高保真的預測瞬態(tài)流動(dòng)。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(shí)表面復雜的幾何不再是限制因素，只需設置網(wǎng)格尺寸，全六面體格子可保證網(wǎng)格質(zhì)量，節省大量前處理時(shí)間。XFlow模擬真實(shí)的的幾何運動(dòng)，獨特的自適應網(wǎng)格細化算法能方便的處理運動(dòng)幾何體壁面附近、尾渦，交界面等壓力梯度較大的區域。

橋梁的最終破壞往往是因為結構振幅過(guò)大。Abaqus提供線(xiàn)性、非線(xiàn)性多種算法可以計算橋梁的動(dòng)力學(xué)響應：

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(chǎng)，將渦流載荷傳遞給Abaqus，Abaqus計算得到橋梁在風(fēng)振下的結構變形，隨后返回給XFlow，如此循環(huán)……流場(chǎng)無(wú)需網(wǎng)格劃分，流固耦合計算具有得天獨厚的優(yōu)勢。通過(guò)這樣實(shí)時(shí)的數據交互，使真實(shí)再現橋梁結構的破壞過(guò)程成為可能。

懸索橋風(fēng)致側向扭轉屈曲分析

懸索橋是目前跨度最大的橋梁結構形式，跨度從幾百米到上千米。懸索橋跨度的大幅度增加帶來(lái)的主要問(wèn)題是結構剛度的顯著(zhù)下降，這使得風(fēng)致振動(dòng)成為結構安全性的主要因素，其中橋梁顫振穩定性是影響風(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)致穩定性分析非常重要，分析涉及高度非線(xiàn)性。Abaqus被用來(lái)進(jìn)行該橋的側向扭振屈曲分析。（該分析來(lái)源于SIMULIA全球年會(huì )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(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)荷載數值隨橋面的扭轉而變化，數值關(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角隨風(fēng)速變化曲線(xiàn)如下圖所示，橋面扭轉角并沒(méi)有隨風(fēng)速增加而出現突然增加，表明該橋未發(fā)生側向扭轉屈曲。

圖4：橋面扭轉角結果

小結

大跨度橋梁的風(fēng)振不僅影響行車(chē)的舒適性，甚至會(huì )引發(fā)整個(gè)橋梁的破壞，數值仿真是研究此類(lèi)問(wèn)題的重要手段。在達索系統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(lèi)靜動(dòng)力特性、車(chē)橋耦合振動(dòng)、穩定性等整體分析，到局部細節模型計算；而且在三維設計階段，借助CATIA能夠完成特大型復雜結構橋梁和常規橋梁在不同設計階段、不同LOD等級和精細程度的三維模型設計，設計數據在平臺內無(wú)損傳遞，實(shí)現CAD模型數據與CAE仿真分析一體化。

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