专家介绍

颜大椿，北京大学力学系教授，工业空气动力学专家，曾参与虎门大桥前期自然风谱确定，以及桥的部分风洞实验研究工作。

颜教授首先通过一些典型的事故案例阐述了风工程中风洞实验的重要性；简单介绍了虎门大桥的风洞实验；最后解释了虎门大桥风振问题的产生原因。

01风工程课题的风洞实验研究

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、风对建筑物和大型结构的作用以及与风荷载相关的事故分析。

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。例如，对虎门大桥桥址的台风谱进行现场测量。

自然风对高层建筑或大型建筑的作用可分为以下三类:

(1) 流线型或近似流线型物体，如悬索桥箱梁，又如国家大剧院外形的扁平半椭球体;

(2) 柱群或高层建筑群，如大型双曲型冷却塔或高层建筑，又如Y型塔楼;

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

风洞试验研究不仅对事故防范、规范制订和设计修改等有重要意义，还可用于解决工程中的司法纠纷问题。一些典型案例如下：

（1）英国渡桥电厂冷却塔群倒塌事件（1965.11.1）。渡桥电厂是一组始建于1920年的三个电站。发生倒坍冷却塔群共八塔，前后两排各四座。强风作用下前排完好，后排倒坍三座，均在迎风面凸起后破坏，由欧美多国组成调查委员会专题研究。由双圆柱风向实验表明，在圆柱间隔约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正负压反复中破坏。因此，冷却塔的规范要求塔间距在直径的3.5倍以上。

 渡桥火力电站是英国工业史上的一座著名电站，下图是部分是垮塌的冷却塔。

 下图为现在的渡桥电站c座。

（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，城建经理刑拘。风洞实验证明塔楼一例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，排除责任事故。

塔吊倒塌事故在国内外时有发生。下图是国外塔吊在强风作用下发生的一起倒塌。调查报告说，施工企业未按照相关规定进行操作，特别是在强风条件下没有将不使用的主吊臂收起，也没有采取其他任何安全防范措施。

（3）国家大剧院动态风压。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，对设计作相应改进。

02虎门大桥的自然风测量和动静态风洞实验

我们要讲的虎门大桥是一座连接广州市南沙区与东莞市虎门镇的跨海大桥，位于珠江狮子洋之上，为珠江三角洲地区环线高速公路南部联络线的组成部分。虎门大桥于1992年动工建设，于1997年建成通车，于1999年通过竣工验收。虎门大桥主缆跨径888米，是我们第一座特大悬索桥，它的施工与建成在我国桥梁史有里程碑意义。

1989年北京大学力学系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运炮台之间，面对伶仃洋宽向海面，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米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米/秒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，选择了四种气动剖面方案，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为转折角，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。

虎门大桥设计的颤振临界风速为70米/秒。由于来流风场处于台风风况，在北大3米´2米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。颤振临界风速为64米/秒，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米/秒。

03虎门大桥的风振问题

2020年5月5日虎门大桥在自然风风速为10~16米/秒条件下出现风振，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，由Strouhal数确定（注：在量纲分析中Strouhal数是描述流体振荡的无量纲数，1878年由捷克物理学家在研究线缆旋涡脱落及其产生的风鸣声时发现）。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。按国外的常规做法是: 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。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所致。

风振是自然风对桥梁结构的相互作用的结果，需要对自然风有详实的现场测量资料提供关于桥梁风振的深入研究，风洞实验也需要模拟现场多变的自然风场并对空气动力特性的改进提供依据，这在世界上著名桥梁史中均有例可循。虎门大桥是我国第一座大型悬索，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。

参考文献

1, 颜大椿，纪念周培源湍流理论八十周年.力学与实践， 2020，42(2) 254-256.

2. 颜大椿， 实验流体力学，北京:北京大学出版社. 2019.