桥箱里的“悠悠球”助力港珠澳大桥抵御16级台风

桥箱里的“悠悠球”助力港珠澳大桥抵御16级台风

　　房县古建筑绘画,古建牌楼手绘,如何测绘古建港珠澳大桥如何有效抗击16级强风？答案也许与藏在桥箱里的这个神秘装置有关。12月21日，由海创人才·专家联谊会、海创人才·南方创业服务中心主办,广东拙见文化发展有限公司承办的《无边界·科技生活》中国海归产业高峰论坛上，我国著名振动控制专家、港珠澳大桥抗风振装置的设计者尹学军，向观众分享了桥梁抗风振调谐质量减振器（TMD）减振系统。该技术也是此次港珠澳大桥，得以成功抗击“山竹”侵袭的关键技术。

　　101大楼是台湾的一个地标性建筑，这里悬挂着的一颗大钢球也吸引了许多游客目光。这个金属球直径长5.5米，重达660吨，悬挂一个600多吨重的大钢球仅仅为了观赏？尹学军介绍，这个金属球就是一个阻尼器，当风来临时，大楼会产生强烈摆动，金属球可与大楼的摆动周期一致，但是方向相反。当大楼向右摆动时，金属球会向左摆动，从而能最大限度地抵消受风侵袭时大楼的摆幅及其摆动能量。

　　这颗金属球便运用了TMD技术，它可以增加建筑的耗能能力。尹学军解释，TMD是调谐质量减振器（tuned mass damper）的英文缩写，也是此次港珠澳大桥抵御超强台风的核心装置，使用该技术，台风来的时候，共振会大大减小。据了解，尹学军团队为港珠澳大桥设计了悬挂式调谐质量减振器，这是由弹簧、阻尼器、质量块组成。虽然它高约3米、重达4吨以上，但非常灵敏，参数精确可调，而且免维护。

　　港珠澳大桥是世界上最长的跨海大桥，也是世界上最长的钢铁大桥，设计使用寿命长达120年。而伶仃洋海域是台风多发地，每年超过6级以上风速的时间接近200天。强风吹来时，在桥面附近形成漩涡，形成周期性向上向下的吸拉波动。当波动的频率和桥自身频率重合时，就会产生共振，桥便如同秋千般激荡起来，“像打秋千一样，风激起桥梁结构的振动，使整个桥激荡起来”。振幅就会越来越大，最后在一个振幅上维持平衡，风输入的能量与桥耗的能量在此刻也维持了平衡。如果振动控制措施不当，桥梁安全和疲劳寿命会受到影响。尹学军表示，“这个时候振幅一般比较大，不利于桥梁120 年的超长寿命，甚至会影响桥梁的安全，所以需要增加桥梁的阻尼，”尹学军进一步补充到，“阻尼是指耗能的能力，港珠澳大桥有多跨连续钢箱梁，阻尼小，实测只有约0.5%~0.7%。”

　　阻尼要达到多少才能有效抗击16级强风?经过多次试验分析，专家们要求安装完TMD后，桥梁的阻尼比须达到1.0%以上。据悉，当92个调谐质量减振器最大质量在4吨时，桥梁阻尼比刚好满足1%。但尹学军认为这样的设计，缺乏足够的安全裕量。于是他决定将最大的减振器的质量，由4吨提高到4.8吨，阻尼也从1%增加到了平均1.4%。

　　抗风振TMD减振系统如何运行？尹学军介绍，港珠澳大桥的TMD高3米左右，只需要把TMD的弹簧挂在钢箱梁里面的框架上，“减振技术中，唯有TMD不需要支点，一挂就行”。悬挂质量块时弹簧就吊起质量块，TMD的频率与钢箱梁频率非常接近。当风吹来时，引发桥体振动，这时候挂着的质量块会自动反相位振动，“桥往上它往下，桥往下它往上，弹簧进而不断拉长、压缩”。和弹簧并连的阻尼器是耗能器，在这个过程中消耗掉能量并转化成热量，实际上风能也随之转化成为热量。所以“山竹”台风来临时桥体振动很小，桥的安全得到保障。

　　“阻尼器更像平衡摆，像悠悠球，通过反相位振动，能量能相互消化掉，阻尼器取自于风的能量又可以消掉风的能量。”尹学军解释道。桥梁虽然有天然的抗风能力，但不能保证不发生共振，振幅可能偏大，风大了甚至需要关桥，影响运行。尹学军表示，有了减振器，桥的振幅可以满足全天候通行。台风来的时候港珠澳大桥的振幅，不会造成桥梁的疲劳损坏，疲劳、寿命等问题正是靠这项技术来保证的。

　　据了解，港珠澳大桥主体工程分为桥梁工程和岛隧工程，桥梁工程长22.9公里。其中7.5公里的桥箱内，安装了尹学军团队设计的92个调谐质量减振器。能为这样一项超级工程定制抗风振装置并非易事。在生产安装上，调谐质量减振器有35万个零件。这些独立的零件需要被运到钢箱梁内部，然后再组装在一起。但钢箱梁拼接完成后约3米高的TMD无法放进桥箱内部，“因此需要提前把零件放进钢箱梁，一段一段的，等钢箱梁运到海上拼接在一起后，我们钻到桥洞里再把阻尼器组装起来”。

　　平日里的风较小，难以吹动桥体，调试过程中，如何使桥振动起来？团队人员通过查阅文献，最终决定将卡车开过去，“时速30公里，桥根本不动，后来让车慢慢慢慢......最后慢下来振起来，上减速带，开过减速带，轮子开过减速带的时间和TMD振荡的时间是吻合的，形成共振，成功创造出风振测试环境”，尹学军回忆，风5级的时候，桥也能通过精密仪器捕捉到振动信号，进而可以开始调试，后来又用5级以上的风来进行测试。

　　据了解，为测试调谐质量减振器抗疲劳强度，尹学军团队在工厂里做了300万次疲劳试验，“TMD120年可能也遇不上这么大的振幅、这么多次数”，从疲劳试验、首套验收到最终现场调试，最后实测阻尼比超过了设计阻尼比，“最让我放心的还是经过了山竹的实战检验，山竹的风速也是我们设计时所能达到的最大风速，16级55米每秒风速，在开通之前台风来临，这是一场实战检验的机会。”

　　1940年秋，一场八级大风袭击美国华盛顿州，塔科马大桥在强风作用下发生振动。随着振幅不断增大，整个桥梁处于强力颠簸状态，最后结构垮塌，大桥被摧毁，多辆汽车也随之坠入海峡，此次桥梁事故震惊世界，也拉开了桥梁抗风研究的序幕。

　　以前如果地铁从地下开过，附近的居民会听到地铁明显的嗡嗡声，“后来我们采用道床隔振技术解决了，如果地铁在高架上过，把钢轨放在混凝土板和弹簧上，这样板就有弹性，轮轨行驶的时候振动就会衰减90%以上，居民便不会察觉到地铁的运行。”除此之外，尹学军团队针对轮轨噪声研发的原创阻尼技术也处于世界领先水平，幼儿园、学校、医院、古建筑钟楼、科研院所等地铁沿线的建筑是重点保护对象。

　　20年前我国振动控制技术高端领域基本空白，无法满足我国大型设备、大型工程的振动控制需求，制约多个行业发展，“当时是小型橡胶隔振器，没有预测技术等”，尹学军介绍。据悉，20年来，振动控制技术在工业领域、轨道交通领域和建筑桥梁领域得到推广运用，尹学军团队总共完成了9000多项工程，24个城市的地铁已经运营，运行里程达260公里，包括四五条广州地铁线。

　　上海交响乐团音乐厅的减振技术，也被艺术家们称为科学为艺术服务的典范。尹学军表示，该音乐厅与地铁相距仅7m，成功运用了建筑物的整体隔振技术，有效隔离了地铁运行及道路交通对音乐厅内产生的振动噪声影响。尹学军团队的研究成果也广泛应用于航空航天、各类电站（核电、火电、水电和风电等）、高端装备制造等领域数千台套大型装备，填补了振动控制应用领域的空白。

　　海创人才·南方创业服务中心是2012年在广州成立的新型科技人才服务机构，立足于广州，辐射粤港澳，面向全中国，现已构建“科技活动、科技经纪、科技金融、科技产业”四位一体的服务体系，平均每年为超过1000名携项目技术的高层次人才提供政策、科技、人才、信息、市场、融资等全链条、专业化、个性化的综合服务。