上海鋼結(jié)構(gòu)公司騰林跟你聊聊渦振的事情。

卡門渦街

渦振是一個(gè)很專業(yè)的名詞，在這次事件之前并不為人熟知。那什么是渦振呢？這要從“卡門渦街”說(shuō)起?？ㄩT渦街是以空氣動(dòng)力學(xué)泰斗馮·卡門的名字來(lái)命名的。馮·卡門這個(gè)名字大家未必熟悉，但如果告訴你他是錢學(xué)森先生的導(dǎo)師，相信你一定會(huì)對(duì)這位學(xué)術(shù)大家肅然起敬的。

卡門渦街是指在一定的速度范圍，流體繞經(jīng)鈍體時(shí)，在其兩側(cè)交替形成漩渦脫落，并在其后方排列為對(duì)稱的渦旋結(jié)構(gòu)，

Vortex-street-animation

而當(dāng)流體繞經(jīng)“流線型”物體時(shí)，則往往會(huì)一直“貼著”物體表面流動(dòng)，不會(huì)發(fā)生流動(dòng)分離形成卡門渦街，

現(xiàn)代橋梁為了盡量抑制“卡門渦街”的產(chǎn)生，往往通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化選型，采用流線型的橋梁斷面?；㈤T大橋的橋梁斷面也是流線型的，此次發(fā)生渦振，專家組的初步判斷就是放置水馬之后，使流線型的鋼箱梁“鈍化”，出現(xiàn)了比較顯著的漩渦脫落，進(jìn)而造成渦振。

卡門渦街無(wú)處不在，尺度范圍跨度極廣，可以從毫米跨越到公里。

渦脫落頻率和渦激振動(dòng)

卡門渦街的漩渦脫落是周期性的，其脫落頻率f可以用斯特勞哈爾數(shù)（Strouhal number）來(lái)計(jì)算：

其中U和b分別是來(lái)流速度和鈍體迎風(fēng)寬度。斯特勞哈爾數(shù)是無(wú)量綱參數(shù)，它和鈍體的外形有關(guān)。比如歐洲規(guī)范EN1991-1-4《結(jié)構(gòu)作用-風(fēng)力作用》就給出了常見(jiàn)截面的St數(shù)，其中圓形和矩形截面的取值如下：

確定了截面外形，知道了St數(shù)，那各種風(fēng)速對(duì)應(yīng)的渦脫落頻率就不難得到了。當(dāng)渦脫落頻率剛好和結(jié)構(gòu)的自振頻率接近甚至相等時(shí)，結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生共振，也就是所謂的“渦激振動(dòng)”（渦振）。

高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)的渦振

不止橋梁會(huì)出現(xiàn)“渦振”，高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)中的渦振現(xiàn)象也很普遍。

設(shè)計(jì)人員常接觸到的所謂“橫風(fēng)向振動(dòng)”，往往就是“渦激振動(dòng)”。如前所述，卡門渦街是周期性的渦脫落，所以能量比較集中，從下面頻譜的對(duì)比中也可看出漩渦脫落的卓爾不群（黑線和紅線分別是順風(fēng)向湍流和橫風(fēng)向漩渦脫落脈動(dòng)風(fēng)荷載能量在頻域上的分布）。

渦脫落造成的脈動(dòng)風(fēng)荷載不僅個(gè)性突出，而且極其善變，會(huì)隨建筑物外形等因素變化。以矩形截面為例，當(dāng)迎風(fēng)寬度和側(cè)面寬度變化時(shí)，能量譜峰出現(xiàn)了顯著變化。

由于橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)荷載能量集中在渦脫落頻率附近，所以當(dāng)高層和高聳結(jié)構(gòu)的自振頻率與渦脫落頻率接近時(shí)，會(huì)發(fā)生比較強(qiáng)烈的共振，此時(shí)橫風(fēng)向風(fēng)荷載經(jīng)常會(huì)起控制作用。

下圖就是某超高層的風(fēng)振計(jì)算結(jié)果，可以看到在漩渦脫落的激勵(lì)下，橫風(fēng)向（X向）的振幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于順風(fēng)向（Y向），而建筑兩側(cè)面藍(lán)色深淺的周期性變化，則揭示了在建筑兩側(cè)發(fā)生的周期性漩渦脫落。

利用橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)荷載對(duì)外形的敏感性，可以選擇適當(dāng)?shù)耐庑螠p小橫風(fēng)向渦振。下圖展現(xiàn)了截面形式從扁平狀向流線型變化時(shí)，側(cè)面漩渦脫落的越來(lái)越弱化的演變過(guò)程。

此外，在超高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，還經(jīng)常采取各種氣動(dòng)優(yōu)化措施來(lái)破壞周期性的規(guī)則渦脫落，或降低渦脫落強(qiáng)度：比如對(duì)超高層建筑截面削角、切角，煙囪上纏上螺旋線等等。

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