塔科马海峡吊桥的倒塌与CFD 模拟卡门涡街

hjli6 · 发表于 2007-3-15 13:20:42

一阵风吹毁一座桥——塔科马海峡吊桥的倒塌与卡门涡街
H.J.LI

塔科马(Tacoma)是美国西部华盛顿洲的一个海滨城市，它毗邻西雅图（Seattle），是美国第二大港口。但使塔科马闻名于世却是那座桥—1940年11月 7日戏剧性被风吹垮的塔科马海峡悬索桥。作为共振破坏的经典写入许多教科书。人们对引起大桥倒塌原因的研究一直没有停止。
该桥主跨长853.4m，全长1810.56m，桥宽11.9m，而梁高仅1.3m.但由于当时人们对柔性结构在风作用下的动力响应的认识还不深入，该桥的加劲梁型式极不合理（板式钢梁），导致在中等风速42 MPH(19m/s)下结构就发生破坏。幸好在桥梁破坏之前封闭了交通。据说，在出事当天，一位记者把车停在桥上，并把一条狗留在车内。桥倒塌时，只有他本人跑到了桥台处。当地的报纸以简洁的标题对这场事故作了报道，“损失：一座桥、一辆汽车、一条狗”。
华盛顿塔科马的照相机商店的巴尼·埃利欧特（Barney Elliott）拍摄了一部影片纪录了整个过程.
该桥的抗风压设计对于50米／秒的风速都是安全的. 但一场那么小的风，把新型的塔科马大桥吹成那样。人们百思不得其解，后来研究发现，罪魁祸首就是卡门涡街。(Von Kármán vortex street)”。
根据流体流速与旋涡脱落频率的关系，梁高D=8 FT，风速查U=42 MPH 斯特罗哈数（STROUHAL NUMBER）=0.11。其旋涡脱落频率大约在案1HZ左右。但根据华盛顿大学教授法克哈桑（Frederick.B.Farquharson）在大桥倒塌现场的记录，其摆动频率是0.2HZ. 二者的频率不相近。当时几位顶尖的空气动力学专家（如 VON KARMAN）都对这个项目进行了研究。认为不仅仅是卡门涡还有桥梁刚度不够和结构不合理等综合因素才造成了大桥倒塌。

1，2D建模，进口风速为42MPH, 出口压力为1 ATM. 在尾部形成卡门涡,脱涡频率约1.6 HZ. 应该是H型结抅造成与计算值的差异.与0.2HZ相差悬殊, 此涡不是激振源.
2, 在前面背墙处生成的涡逐渐增大并向桥中部缓慢移动, 但随着时间的加长, 此涡停在中间不再移动,也不脱落. 此模型假设桥面刚度足够,无变形.
3. 但此桥设计为柔性结构,设计师没有象设计金门大桥那样加上足够的桁架来支撑桥面. 我们看到大桥上边和下边大涡的大小和位置并不对称, 这个偏转力将使桥面变形.
4. 假设桥面转角为5度, 桥面大涡发生脱落, 其脱涡频率为 0.11 HZ.
5.假设桥面转角为20度, 其脱涡频率为0.33HZ.
其平均脱涡频率与0.2HZ很接近.

[ 本帖最后由 hjli6 于 2007-3-24 04:19 编辑 ]

hjli6 · 发表于 2007-3-15 13:32:01

卡门涡脱涡频率为1。6 HZ，但桥面的大涡稳定在中心，并不脱落。

FreddyMusic · 发表于 2007-3-15 13:43:57

hjli6, Good job.The red one is week point of the bridge.

Someone in swiss as made this simulation the result is same as history.

Here raise another question what is the best construction of bridge in wind ?

hjli6 · 发表于 2007-3-15 13:50:33

桥上下面大涡在形成和移动中，其压力和位置并不对称，桥梁刚度不够，就可能发生偏转。假设转角为5度，桥面大涡脱涡时间为9秒。

hjli6 · 发表于 2007-3-15 13:59:28

假设桥面转角为20度，其大涡的脱涡时间3秒。

hjli6 · 发表于 2007-3-15 14:17:28

大桥的H形结构侧板上下并不对称，这是一些详图。

Kiddosuper · 发表于 2007-3-15 18:42:06

看過Discovery頻道介紹此橋的種種, 也還好有此橋才給工程師一個省思的機會.

(有沒有興趣再弄個FSI?)

FreddyMusic · 发表于 2007-3-16 12:46:46

hjli6

Check this book, any comments ?

http://rapidshare.com/files/4967 ... ge_Aerodynamics.rar

http://www.simwe.com/forum/thread-741784-1-3.html

bainhome · 发表于 2007-3-16 14:07:02

过来留名赞一个！
这是一个非常经典的实例，值得结构设计者深思并引以为鉴，感谢楼主出图分享。

[ 本帖最后由 bainhome 于 2007-3-16 14:09 编辑 ]

jk616 · 发表于 2007-3-23 13:37:59

好帖!理论实际相结合!

sloanzhang · 发表于 2007-8-18 11:17:36

恩，非常有趣。兴趣就是这样来的。

linuaries · 发表于 2007-8-18 19:15:41

多谢楼主的分享，受益非浅。

inkey · 发表于 2007-8-18 21:51:00

hjli6
中级会员

请出山坐做版主

shizhi214 · 发表于 2007-9-2 22:48:47

做的，好，顶，深思

bian222 · 发表于 2007-10-12 11:58:18

不错,值得好好学一下.

raider09 · 发表于 2007-10-12 20:23:28

精彩！欣赏中

teken · 发表于 2007-10-25 18:01:50

分析很精彩，可惜不详细

wangxiaodao · 发表于 2007-10-26 23:56:29

能PS以下详细的模型吗

fff010050 · 发表于 2008-7-23 16:19:18

好厲害的理論與實務結合但是能夠詳細的解析嗎?

sxliuxiaojun · 发表于 2008-7-27 20:30:57

太精彩了生动深刻应该出来指导大家

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