顏大椿

(北京大學(xué)力學(xué)系，北京100871)

1972年，按照周恩來總理關(guān)于搞好基礎(chǔ)科學(xué)研究的指示，周培源校長主持對湍流在國計民生重大課題中的應(yīng)用展開廣泛的學(xué)科調(diào)查[1]。翌年，在北大大型低速風(fēng)洞完成千分之一比例的中性溫度層結(jié)的大氣邊界層湍流結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞模擬，開展對Dovenport和Harris等關(guān)于平坦地形的強風(fēng)譜的風(fēng)洞實驗研究[2-3]。孫天風(fēng)先生根據(jù)電力部的要求開展大型冷卻塔的風(fēng)工程研究，他是國內(nèi)最早開展風(fēng)工程研究的領(lǐng)頭人，曾在北大風(fēng)洞進(jìn)行上海東方明珠電視塔的風(fēng)載荷研究[4]。漢中分?；剡w后，孫天風(fēng)先生在北京大學(xué)成立風(fēng)工程研究室。我在協(xié)助完成剪切湍流中冷卻塔風(fēng)壓測量后，按周培源校長的安排于1978年末赴美開展湍流聲產(chǎn)生機制的實驗研究。

回國后，我主要開展要求模擬自然風(fēng)場湍流特性的大型工程，例如虎門大橋的風(fēng)振課題要求開展臺風(fēng)譜研究，在國內(nèi)尚無先例，全部湍流測量儀器均需自行獨立設(shè)計研制。

1 風(fēng)工程問題的風(fēng)洞實驗研究

風(fēng)工程是湍流在大型工程中廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)性課題，研究內(nèi)容包括:自然風(fēng)特性及其風(fēng)洞模擬[5-7]、風(fēng)對建筑物和大型結(jié)構(gòu)的作用以及與風(fēng)載荷相關(guān)的事故分析。

在風(fēng)工程課題中首先必須掌握當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料和自然風(fēng)特性，在有建筑群的情況下需了解建筑群中個體之間的相互干擾，在有臺風(fēng)或山區(qū)特殊地形條件下需測量和正確模擬當(dāng)?shù)刈匀伙L(fēng)的風(fēng)譜[8]。

自然風(fēng)對高層建筑或大型建筑的作用可分為以下3類:

(1)對流線型或近似流線型物體的作用，如懸索橋箱梁，國家大劇院外形扁平的半橢球體。

(2)對高層建筑的作用，如大型雙曲型冷卻塔、Y型塔樓等。

(3)塔群、樓群和高層建筑群的風(fēng)載荷。由于個體間的作用十分復(fù)雜，需要在風(fēng)洞模擬中作為特殊問題單獨處理。

典型事故的分析涉及到規(guī)范制訂、司法糾紛、設(shè)計的重大修改及事故防范等。案例如下:

(1)英國渡橋電廠冷卻塔群倒坍事件。塔群共8塔，前后兩排各4座。強風(fēng)作用下前排完好，后排倒坍3座，均在迎風(fēng)面凸起后破壞。歐美多國組成調(diào)查委員會進(jìn)行專題研究。由雙圓柱風(fēng)向?qū)嶒灡砻?，圓柱間隔約2.5倍直徑時，前柱尾跡的剪切層在后柱前方卷起并逐漸形成大渦，使后柱駐點大幅度后移，在后柱前沿形成較強負(fù)壓區(qū)。大渦脫落后，后柱駐點返回前柱尾跡重回正壓區(qū)。由此表明，后排冷卻塔迎風(fēng)面在較強的正負(fù)壓反復(fù)變換中破壞。因此，冷卻塔的規(guī)范要求塔間距離不小于塔徑的3.5倍[9]。

(2)Y型塔樓施工塔吊倒塌事件。北京安貞西里Y型塔樓一側(cè)塔吊因強風(fēng)倒塌，事故導(dǎo)致北京城建公司經(jīng)理被刑拘。風(fēng)洞實驗證明塔樓一側(cè)在西北偏西強風(fēng)下形成大渦產(chǎn)生上升氣流，使塔吊風(fēng)壓大幅增加，排除了責(zé)任事故[10]。人民日報首頁有簡報，高校引用為流體力學(xué)課程的范例。

(3)國家大劇院動態(tài)風(fēng)壓。在由巴黎機場公司設(shè)計的半橢球型北京國家大劇院的風(fēng)洞實驗中發(fā)現(xiàn)，動態(tài)風(fēng)壓在東西兩側(cè)各自形成振型，使中部玻璃幕墻承受較大載荷，從而對設(shè)計作出相應(yīng)改進(jìn)。

2 虎門大橋的自然風(fēng)測量和動靜態(tài)風(fēng)載的風(fēng)洞實驗

1989年與交通部公路所合作對在建虎門大橋開展實驗研究。

虎門大橋主跨位于珠江口虎門炮臺和威遠(yuǎn)炮臺之間，面對伶仃洋寬闊海面，自然風(fēng)的情況十分復(fù)雜，除了每年夏、秋季頻繁的臺風(fēng)外，常有較小尺度的龍卷風(fēng)出現(xiàn)。我們在大橋東塔架附近高30 m的金鎖牌燈塔頂部安裝熱線風(fēng)速儀探頭，測量自然風(fēng)譜和臺風(fēng)譜。在10～15 m/s的常規(guī)風(fēng)譜低頻側(cè)有較強的湍流成分出現(xiàn)；臺風(fēng)譜的主頻率附近明顯高于Davenport或Harris在平坦地形的強風(fēng)譜。

懸索橋箱梁呈扁平六邊形，下側(cè)具有良好的流線型特性，上側(cè)的轉(zhuǎn)折角較大，呈鈍體特性，在下游方向形成旋渦。設(shè)計時考慮改善氣流特性，選擇了4種氣動剖面方案，其中兩種在端部采用圓形風(fēng)嘴。在二元風(fēng)洞中對箱梁剖面的氣動特性進(jìn)行測量。箱梁剖面的升力曲線在零度攻角處有轉(zhuǎn)折角，正攻角時的升力線斜率明顯低于負(fù)攻角。切向力在零度兩側(cè)銳減，具有不穩(wěn)定特性[11]。

虎門大橋設(shè)計的顫振臨界風(fēng)速為70 m/s。由于來流風(fēng)場處于臺風(fēng)風(fēng)況，在北大 3 m×2 m環(huán)境風(fēng)洞做全橋彈性模型的風(fēng)洞實驗，在來流模擬臺風(fēng)譜的氣流條件下進(jìn)行。實驗得到大橋顫振臨界風(fēng)速為64 m/s，現(xiàn)虎門大橋管理部門將臺風(fēng)時防臺等級的極限風(fēng)速定為61 m/s。

3 虎門大橋的風(fēng)振問題

懸索橋的風(fēng)振有以下三種類型:渦振、抖振和顫振。

渦振，是在尾流脫落渦作用下，剛性表面的物體被上下交替變化的表面壓力作周期性驅(qū)動，尾渦頻率可由Strauhal數(shù)確定，當(dāng)尾渦頻率接近物體的橫向固有頻率時，形成由機械頻率控制旋渦脫落頻率的風(fēng)振現(xiàn)象。

抖振，是自然風(fēng)的速度脈動在結(jié)構(gòu)上施加非定常載荷所產(chǎn)生的風(fēng)振現(xiàn)象，是自然風(fēng)譜對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的隨機的空氣動力分布載荷在彈性結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的響應(yīng)。

顫振，是在不穩(wěn)定流致振動時結(jié)構(gòu)的垂直方向的平移和轉(zhuǎn)動耦合時的氣動彈性現(xiàn)象。它的特點是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)通過撓度及其導(dǎo)數(shù)從氣流中獲取能量，并在初始擾動下從氣流中獲取能量大于系統(tǒng)因機械阻尼所耗散的能量時，產(chǎn)生的典型的自激振動。

2020年 5月 5日，虎門大橋在自然風(fēng)風(fēng)速為10～16 m/s條件下出現(xiàn)風(fēng)振，在除去橋側(cè)水馬后緩解，但于5月6日又振，振因不明。這是虎門大橋通行23年來首次出現(xiàn)的振幅將近半米的風(fēng)振現(xiàn)象。

關(guān)于風(fēng)振原因有兩種解釋:一種解釋認(rèn)為是渦振，即渦激振動，由箱梁下游尾渦中出現(xiàn)的卡門渦街對上游箱梁的反饋作用造成。按照卡門渦街的生成原理，對于一定橫向尺度的箱梁，脫落渦的頻率隨來流平均風(fēng)速而變，但 Strauhal數(shù)為常值。因而是大概率事件，渦對箱梁的空氣動力作用很容易計算確定。

另一種解釋是抖振，振動規(guī)律由上游自然風(fēng)特性確定。國外的常規(guī)做法是:由現(xiàn)場測定的自然風(fēng)的風(fēng)譜，按箱梁的氣動特性計算作用在箱梁上的力譜，由彈性系統(tǒng)的傳遞系數(shù)得到位移譜后積分求得箱梁位移。由抖振產(chǎn)生的有限振幅位移受自然風(fēng)譜和潮位變化的交互影響，是小概率事件。這是由于大灣區(qū)經(jīng)濟快速發(fā)展，高層建筑鱗次櫛比，河道中通航船只密集，使箱梁上游自然風(fēng)的湍流強度大幅度增加。

風(fēng)振是自然風(fēng)與橋梁結(jié)構(gòu)相互作用的結(jié)果，需要對自然風(fēng)有詳實的現(xiàn)場測量資料，以便于對橋梁風(fēng)振的深入研究[12]，風(fēng)洞實驗也需要模擬現(xiàn)場多變的自然風(fēng)場，以為空氣動力特性的改進(jìn)提供依據(jù)。虎門大橋是我國第一座大型懸索橋，在大灣區(qū)有巨大的經(jīng)濟效益，也需要在科研上為全國大型橋梁提供借鑒。