湍流、风工程和虎门大桥的风振

颜大椿

(北京大学力学系，北京100871)

1972年，按照周恩来总理关于搞好基础科学研究的指示，周培源校长主持对湍流在国计民生重大课题中的应用展开广泛的学科调查[1]。翌年，在北大大型低速风洞完成千分之一比例的中性温度层结的大气边界层湍流结构的风洞模拟，开展对Dovenport和Harris等关于平坦地形的强风谱的风洞实验研究[2-3]。孙天风先生根据电力部的要求开展大型冷却塔的风工程研究，他是国内最早开展风工程研究的领头人，曾在北大风洞进行上海东方明珠电视塔的风载荷研究[4]。汉中分校回迁后，孙天风先生在北京大学成立风工程研究室。我在协助完成剪切湍流中冷却塔风压测量后，按周培源校长的安排于1978年末赴美开展湍流声产生机制的实验研究。

回国后，我主要开展要求模拟自然风场湍流特性的大型工程，例如虎门大桥的风振课题要求开展台风谱研究，在国内尚无先例，全部湍流测量仪器均需自行独立设计研制。

1 风工程问题的风洞实验研究

风工程是湍流在大型工程中广泛应用的基础性课题，研究内容包括:自然风特性及其风洞模拟[5-7]、风对建筑物和大型结构的作用以及与风载荷相关的事故分析。

在风工程课题中首先必须掌握当地的气象资料和自然风特性，在有建筑群的情况下需了解建筑群中个体之间的相互干扰，在有台风或山区特殊地形条件下需测量和正确模拟当地自然风的风谱[8]。

自然风对高层建筑或大型建筑的作用可分为以下3类:

(1)对流线型或近似流线型物体的作用，如悬索桥箱梁，国家大剧院外形扁平的半椭球体。

(2)对高层建筑的作用，如大型双曲型冷却塔、Y型塔楼等。

(3)塔群、楼群和高层建筑群的风载荷。由于个体间的作用十分复杂，需要在风洞模拟中作为特殊问题单独处理。

典型事故的分析涉及到规范制订、司法纠纷、设计的重大修改及事故防范等。案例如下:

(1)英国渡桥电厂冷却塔群倒坍事件。塔群共8塔，前后两排各4座。强风作用下前排完好，后排倒坍3座，均在迎风面凸起后破坏。欧美多国组成调查委员会进行专题研究。由双圆柱风向实验表明，圆柱间隔约2.5倍直径时，前柱尾迹的剪切层在后柱前方卷起并逐渐形成大涡，使后柱驻点大幅度后移，在后柱前沿形成较强负压区。大涡脱落后，后柱驻点返回前柱尾迹重回正压区。由此表明，后排冷却塔迎风面在较强的正负压反复变换中破坏。因此，冷却塔的规范要求塔间距离不小于塔径的3.5倍[9]。

(2)Y型塔楼施工塔吊倒塌事件。北京安贞西里Y型塔楼一侧塔吊因强风倒塌，事故导致北京城建公司经理被刑拘。风洞实验证明塔楼一侧在西北偏西强风下形成大涡产生上升气流，使塔吊风压大幅增加，排除了责任事故[10]。人民日报首页有简报，高校引用为流体力学课程的范例。

(3)国家大剧院动态风压。在由巴黎机场公司设计的半椭球型北京国家大剧院的风洞实验中发现，动态风压在东西两侧各自形成振型，使中部玻璃幕墙承受较大载荷，从而对设计作出相应改进。

2 虎门大桥的自然风测量和动静态风载的风洞实验

1989年与交通部公路所合作对在建虎门大桥开展实验研究。

虎门大桥主跨位于珠江口虎门炮台和威远炮台之间，面对伶仃洋宽阔海面，自然风的情况十分复杂，除了每年夏、秋季频繁的台风外，常有较小尺度的龙卷风出现。我们在大桥东塔架附近高30 m的金锁牌灯塔顶部安装热线风速仪探头，测量自然风谱和台风谱。在10～15 m/s的常规风谱低频侧有较强的湍流成分出现；台风谱的主频率附近明显高于Davenport或Harris在平坦地形的强风谱。

悬索桥箱梁呈扁平六边形，下侧具有良好的流线型特性，上侧的转折角较大，呈钝体特性，在下游方向形成旋涡。设计时考虑改善气流特性，选择了4种气动剖面方案，其中两种在端部采用圆形风嘴。在二元风洞中对箱梁剖面的气动特性进行测量。箱梁剖面的升力曲线在零度攻角处有转折角，正攻角时的升力线斜率明显低于负攻角。切向力在零度两侧锐减，具有不稳定特性[11]。

虎门大桥设计的颤振临界风速为70 m/s。由于来流风场处于台风风况，在北大 3 m×2 m环境风洞做全桥弹性模型的风洞实验，在来流模拟台风谱的气流条件下进行。实验得到大桥颤振临界风速为64 m/s，现虎门大桥管理部门将台风时防台等级的极限风速定为61 m/s。

3 虎门大桥的风振问题

悬索桥的风振有以下三种类型:涡振、抖振和颤振。

涡振，是在尾流脱落涡作用下，刚性表面的物体被上下交替变化的表面压力作周期性驱动，尾涡频率可由Strauhal数确定，当尾涡频率接近物体的横向固有频率时，形成由机械频率控制旋涡脱落频率的风振现象。

抖振，是自然风的速度脉动在结构上施加非定常载荷所产生的风振现象，是自然风谱对结构产生的随机的空气动力分布载荷在弹性结构上产生的响应。

颤振，是在不稳定流致振动时结构的垂直方向的平移和转动耦合时的气动弹性现象。它的特点是结构系统通过挠度及其导数从气流中获取能量，并在初始扰动下从气流中获取能量大于系统因机械阻尼所耗散的能量时，产生的典型的自激振动。

2020年 5月 5日，虎门大桥在自然风风速为10～16 m/s条件下出现风振，在除去桥侧水马后缓解，但于5月6日又振，振因不明。这是虎门大桥通行23年来首次出现的振幅将近半米的风振现象。

关于风振原因有两种解释:一种解释认为是涡振，即涡激振动，由箱梁下游尾涡中出现的卡门涡街对上游箱梁的反馈作用造成。按照卡门涡街的生成原理，对于一定横向尺度的箱梁，脱落涡的频率随来流平均风速而变，但 Strauhal数为常值。因而是大概率事件，涡对箱梁的空气动力作用很容易计算确定。

另一种解释是抖振，振动规律由上游自然风特性确定。国外的常规做法是:由现场测定的自然风的风谱，按箱梁的气动特性计算作用在箱梁上的力谱，由弹性系统的传递系数得到位移谱后积分求得箱梁位移。由抖振产生的有限振幅位移受自然风谱和潮位变化的交互影响，是小概率事件。这是由于大湾区经济快速发展，高层建筑鳞次栉比，河道中通航船只密集，使箱梁上游自然风的湍流强度大幅度增加。

风振是自然风与桥梁结构相互作用的结果，需要对自然风有详实的现场测量资料，以便于对桥梁风振的深入研究[12]，风洞实验也需要模拟现场多变的自然风场，以为空气动力特性的改进提供依据。虎门大桥是我国第一座大型悬索桥，在大湾区有巨大的经济效益，也需要在科研上为全国大型桥梁提供借鉴。