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，振幅較大，導致大橋封閉，引發(fā)公眾廣泛關注。

大橋晃動的原因

虎門大橋是一座連接珠江兩岸的跨海大橋，其中主航道橋為單跨雙鉸簡支鋼箱梁懸索橋，跨度888米。專家組初步判斷，虎門大橋懸索橋振動主要原因是由于沿橋連續(xù)設置水馬，改變了鋼箱梁的氣動外形，在特定風環(huán)境條件下橋梁產生渦振。

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、造價經濟的特點。但因其跨度一般較大，結構偏柔，對風的作用更加敏感，風荷載在設計中往往起控制作用。歷史上最著名的懸索橋因風振而破壞的案例要數塔科馬海峽大橋了。該橋1940年7月通車四個月后，就在18m/s的風速下扭曲振動而破壞。后續(xù)的調查分析顯示，卡門渦街是造成這次事故的根本原因。

流體繞過物體時，在物體尾流左右兩側產生的成對的、交替排列的、旋轉方向相反的反對稱渦旋，因著名力學家馮?卡門而得名卡門渦街?？諝饬鬟^煙囪、高層建筑時，都會產生卡門渦街。本次事故也引發(fā)了人們對橋梁、建筑等風致振動問題的廣泛研究。

圖1：卡門渦街

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

氣動和結構振動分析

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。技術優(yōu)勢在于前處理不需要對流體域進行網格劃分，同時表面復雜的幾何不再是限制因素，只需設置網格尺寸，全六面體格子可保證網格質量，節(jié)省大量前處理時間。XFlow模擬真實的的幾何運動，獨特的自適應網格細化算法能方便的處理運動幾何體壁面附近、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為結構振幅過大。Abaqus提供線性、非線性多種算法可以計算橋梁的動力學響應：

另外，XFlow和Abaqus擁有良好的接口，可以進行聯合仿真：XFlow計算流場，將渦流載荷傳遞給Abaqus，Abaqus計算得到橋梁在風振下的結構變形，隨后返回給XFlow，如此循環(huán)……流場無需網格劃分，流固耦合計算具有得天獨厚的優(yōu)勢。通過這樣實時的數據交互，使真實再現橋梁結構的破壞過程成為可能。

懸索橋風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的主要問題是結構剛度的顯著下降，這使得風致振動成為結構安全性的主要因素，其中橋梁顫振穩(wěn)定性是影響風振性能的關鍵因素。

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被用來進行該橋的側向扭振屈曲分析。（該分析來源于SIMULIA全球年會論文，由橫濱國立大學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。計算共有兩個分析步，第一分析步為自重加載，第二分析步為風荷載。風荷載數值隨橋面的扭轉而變化，數值關系由風洞試驗確定。

圖3：日本明石海峽大橋有限元模型

采用Abaqus/Standard求解，風荷載作用下的橋面轉角隨風速變化曲線如下圖所示，橋面扭轉角并沒有隨風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

大跨度橋梁的風振不僅影響行車的舒適性，甚至會引發(fā)整個橋梁的破壞，數值仿真是研究此類問題的重要手段。在達索系統(tǒng)3DEXPERIENCE體驗平臺上，不僅在橋梁仿真領域，借助SIMULIA能夠涵蓋從成橋狀態(tài)、各類靜動力特性、車橋耦合振動、穩(wěn)定性等整體分析，到局部細節(jié)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(guī)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損傳遞，實現CAD模型數據與CAE仿真分析一體化。

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