?虎門大橋?yàn)榈湫偷膽宜鳂蚪Y(jié)構(gòu)
虎門大橋是一種比較典型的懸索橋結(jié)構(gòu)，這種方式的橋梁使用鋼索來(lái)承受拉力，可以使用較小的成本來(lái)跨越很長(zhǎng)的距離。但是懸索橋的缺陷就是剛性比較弱。
而正由于懸索橋的剛性比較差，所以在外力作用下，比如當(dāng)風(fēng)繞過(guò)橋梁產(chǎn)生渦流時(shí)，其誘導(dǎo)力就容易使其發(fā)生變形。橋梁一般有兩種比較常見(jiàn)的變形方式。
豎彎變形，主橋梁垂直方向上下晃動(dòng)
扭轉(zhuǎn)變形，主橋梁隨著一個(gè)軸扭曲變形
?虎門大橋豎彎振動(dòng)模式
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?塔科馬大橋扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模式
當(dāng)然實(shí)際情況下豎彎和扭轉(zhuǎn)經(jīng)?；旌显谝黄?。與懸索橋類似，跟蹤器本身也是柔性結(jié)構(gòu)，由于主軸本身的剛性較差，也會(huì)產(chǎn)生“豎彎”和“扭轉(zhuǎn)”這兩種變形。
?跟蹤器的豎彎振動(dòng)模式
?跟蹤器的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模式
而因?yàn)楦櫰鞯呢Q彎變形頻率往往比扭轉(zhuǎn)變形的頻率要高，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)最常見(jiàn)的破壞還是扭轉(zhuǎn)變形。
?跟蹤器的扭轉(zhuǎn)模式失效
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?銷軸轉(zhuǎn)心的跟蹤器
阻尼比低，極易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)渦振
5月5日的風(fēng)速并不大，虎門大橋出現(xiàn)了橋面的上下晃動(dòng)，但是所幸橋梁本身沒(méi)有被損壞，預(yù)計(jì)評(píng)估測(cè)試完后，不日即可重新開(kāi)通。這種在低風(fēng)速下的有限振幅，稱之為“渦振”。
而在各大新聞中，小樹(shù)洞發(fā)現(xiàn)經(jīng)常和虎門大橋一同出鏡的，還有另一座懸索橋。1940年7月11日，建成僅僅四個(gè)月的“塔科馬海峽大橋”，在微風(fēng)下轟然倒塌，而這一幕恰好被路過(guò)的一個(gè)好萊塢攝影團(tuán)隊(duì)所拍下，其倒塌視頻廣為流傳。
塔科馬大橋事故后，很多人參與了倒塌原因的分析，其中著名的航空動(dòng)力學(xué)祖師爺-馮卡門，提出了橋梁破壞是因?yàn)椤翱ㄩT渦街”導(dǎo)致的。由于馮卡門的威望，在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，大家都錯(cuò)誤的認(rèn)為塔科馬大橋的兇手是“渦激共振”，而真正的兇手在很多年后才浮出水面。
2013年，美國(guó)工程院院士，現(xiàn)代氣動(dòng)彈性力學(xué)的奠基人，Dowell教授（名字一看就非?？煽浚┰谖恼轮兄赋觯?/p>
“一些物理教科書(shū)將塔科馬大橋的倒塌歸結(jié)為渦激共振，這一觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，實(shí)質(zhì)上塔科馬大橋是由于顫振倒塌，這和渦振是兩個(gè)截然不同的現(xiàn)象”
?文章來(lái)源：
A?Modern?Course in Aeroelasticity?(Dowell 2013)
渦振：
是一種由于旋渦的交替脫落，引起的脈動(dòng)荷載。是限幅振動(dòng)，常見(jiàn)于低風(fēng)速情況?？ㄩT渦街就是渦振的一種形式。由于渦振往往出現(xiàn)在低風(fēng)速的情況下，空氣產(chǎn)生的能量比較低，只要在允許變形范圍內(nèi)的振動(dòng)，都不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的破壞。
顫振：
是因?yàn)閺椥越Y(jié)構(gòu)在空氣流動(dòng)中獲得能量，導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)振動(dòng)失穩(wěn)。是發(fā)散振動(dòng)，常見(jiàn)于高風(fēng)速情況下。隨著風(fēng)速的增大，渦流頻率會(huì)突然脫離結(jié)構(gòu)頻率，出現(xiàn)空氣負(fù)阻尼，結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅度也越變?cè)酱螅罱K導(dǎo)致毀壞。
?跟蹤器渦振狀態(tài)
?跟蹤器進(jìn)入顫振后被風(fēng)損毀
跟蹤器的空氣動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性分析，需要保證在小風(fēng)速下，渦振穩(wěn)定在一定的振幅范圍內(nèi)，大風(fēng)速下不進(jìn)入顫振。總結(jié)起來(lái)就是八個(gè)字：
“小風(fēng)不壞，大風(fēng)不倒”
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幾乎所有的跟蹤器廠家都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，滿足零部件在受到風(fēng)荷載時(shí)，材料保持在彈性變形階段。但是很多結(jié)構(gòu)工程師往往忽視了跟蹤器的“穩(wěn)定性”計(jì)算，而大部分跟蹤器的破壞，并不是由于荷載過(guò)大導(dǎo)致的材料屈服，而是由于失穩(wěn)。
針對(duì)跟蹤器的風(fēng)致穩(wěn)定性分析，目前行業(yè)內(nèi)唯一，也是最有效的方法就是進(jìn)行合理合規(guī)的風(fēng)洞測(cè)試。計(jì)算出結(jié)構(gòu)的自身頻率，測(cè)試獲得其阻尼比系數(shù)，然后采用動(dòng)態(tài)風(fēng)洞測(cè)試獲得的動(dòng)態(tài)放大系數(shù)-DAF，進(jìn)行嚴(yán)格的校核。
?跟蹤器扭轉(zhuǎn)模態(tài)的DAF值(來(lái)源：IFI)
另外也可以尋求有限元軟件，進(jìn)行數(shù)值流體動(dòng)力學(xué)仿真，定性的獲得在不同風(fēng)速，不同角度下的跟蹤器狀態(tài)。
?使用OpenFOAM
對(duì)跟蹤器進(jìn)行流固耦合分析
(來(lái)源：RWDI)
還有一些廠家會(huì)采用更先進(jìn)的測(cè)試，進(jìn)行縮比尺的全真模型，進(jìn)行氣動(dòng)彈性風(fēng)洞測(cè)試，獲得更詳細(xì)的顫振臨界風(fēng)速，和大風(fēng)保護(hù)策略。
?大氣邊界層氣動(dòng)彈性風(fēng)洞測(cè)試
（來(lái)源：CPP）
對(duì)于這部分可以參考小樹(shù)洞之前的文章《跟蹤器風(fēng)荷載設(shè)計(jì)準(zhǔn)則研討會(huì)詳解》，本文下方有傳送門。
減少跟蹤器的動(dòng)態(tài)風(fēng)荷載破壞，主要從三個(gè)方面考慮：
- 增加跟蹤器的剛性，提高自身頻率
- 增加跟蹤器阻尼比，減少動(dòng)態(tài)風(fēng)荷載
- 提高大風(fēng)保護(hù)角度，改變氣動(dòng)力學(xué)外形
頻率是跟蹤器的一個(gè)重要特性，跟蹤器主要有三個(gè)模態(tài)，所對(duì)應(yīng)的就是三個(gè)頻率。三種頻率的大小和結(jié)構(gòu)本身的尺寸屬性有很大的關(guān)系。由于篇幅所限，以后小樹(shù)洞找機(jī)會(huì)再和大家聊聊如何在設(shè)計(jì)時(shí)，有效地提高這三種頻率。
阻尼比是標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)在受外力下，恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的能力，阻尼比越大，跟蹤器就能越快的回到穩(wěn)定狀態(tài)，所以也就變相的減少了動(dòng)態(tài)風(fēng)荷載的大小。懸索橋的阻尼比一般是0.3~0.5%，而跟蹤器的阻尼比則比較高，無(wú)阻尼器時(shí)大約在5~10%左右，增加阻尼器后，阻尼比可以提高2~3倍。
大風(fēng)保護(hù)角度是目前討論的比較多的問(wèn)題，現(xiàn)在越來(lái)越多的測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明，大風(fēng)保護(hù)在0度時(shí)，跟蹤器更容易進(jìn)入顫振狀態(tài)，這種情況和塔科馬橋比較類似，也就是臨界風(fēng)速比較低。因此目前全球前五家跟蹤器廠家都已經(jīng)拋棄了0度大風(fēng)保護(hù)的策略（是的，包括S記廠家），轉(zhuǎn)而采用大角度來(lái)抵抗高風(fēng)速，從而提高顫振的臨界風(fēng)速。
媒體對(duì)虎門大橋的關(guān)注，提高了全社會(huì)對(duì)風(fēng)致共振的認(rèn)識(shí)。小樹(shù)洞也希望能有越來(lái)越多的朋友，了解在光伏跟蹤器設(shè)計(jì)里，空氣動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的重要性。小樹(shù)洞并不是專業(yè)從事橋梁風(fēng)工程的工程師，而是基于航空航天知識(shí)，來(lái)對(duì)虎門大橋進(jìn)行解釋，不當(dāng)之處還請(qǐng)大家批評(píng)指正。
全文結(jié)束
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