桥梁让虎门大桥持续抖动的到底是什么？释疑来了
5月5日15时32分左右 ， 广东虎门大桥发生异常抖动 ， 引起网友关注 。
【桥梁让虎门大桥持续抖动的到底是什么？释疑来了】
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相关部门对虎门大桥进行了交通管制 ， 截止到发稿前大桥仍然封闭 。
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从上图中能够看到 ， 大桥桥面出现轻微起伏的波浪 。
根据专家组初步判断 ， 虎门大桥本次振动的主要原因是沿桥跨边护栏连续设置水马 ， 改变了钢箱梁的气动外形 ， 在特定风环境条件下 ， 产生了桥梁涡振现象 。
那么 ， 桥梁涡振现象是什么？大桥这样抖动真的是个例吗？历史上还真有大风把桥吹塌的案例吗？今天我们就来刨根问底 。
什么是涡振现象？
涡振的全称是涡激振动 ， 指的是气流在绕过钝体结构时 ， 会发生周期性的旋涡脱落 ， 产生周期性的上下交替变化的涡激力 。 这个旋涡脱落时的频率会随着风速变化 ， 也跟桥的主梁高度有关 ， 当这个频率接近结构自振频率时 ， 旋涡脱落和结构振动互相锁定 ， 就形成了共振现象 。
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要想完全理解涡振现象 ， 首先要搞清楚这里面牵扯的两个重要的物理概念 ， 一个叫作卡门涡街 ， 一个叫作共振 。
卡门涡街：是指在一定条件下的定常来流绕过某些物体时 ， 物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡 。
定义看不懂？说得通俗一点：一个排球扔到空中 ， 风从左向右吹拂 。 风遇到排球后 ， 被排球分开 ， 之后会在排球的右侧再次汇合 ， 如果风力较大的情况下 ， 在排球的右侧 ， 风来不及汇合起来 ， 就会出现漩涡 。 这个漩涡就是卡门涡街 。
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生活中流体的这种现象其实非常普遍 ， 如桥墩的后面不适合游泳 ， 就是卡门涡街导致的 。
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【桥梁让虎门大桥持续抖动的到底是什么？释疑来了】共振：物体在特定频率下 ， 相比其他频率以更大的振幅做振动的情形 ， 这个特定频率称之为共振频率 。
19世纪初 ， 一队法国士兵在指挥官的口令下 ， 迈着整齐划一的步伐通过一座大桥 。 快走到桥中间时 ， 桥梁突然发生强烈的颤动并且最终断裂坍塌 ， 许多官兵和市民丧生 。
人走路踩地的力量显然是不会把桥踩塌了的 ， 那么为什么会发生这种事情呢？这是因为部队这么多人齐步走的步调频率刚好与桥梁的自有频率吻合 ， 造成了共振 ， 最终坍塌 。 在这之后 ， 军队通过桥梁都不允许用统一的步伐前进 ， 以避免共振 。
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军训时如果过桥 ， 教官一定会命令便步走
到这里就可以解释虎门大桥抖动的原因：当天出现的特定风环境 ， 在桥的主梁上形成了卡门涡街 ， 这个涡街的振动频率刚好跟桥本身的自有频率接近 ， 所以产生了涡振现象 ， 桥就跟着抖动起来了 。
“罪魁祸首”水马起了什么作用？
水马是一种用于分割路面或形成阻挡的塑制壳体障碍物 ， 通常是上小下大的结构 ， 上方有孔以注水增重 。 就长这样：
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虎门大桥近期进行了检测和维修工作 ， 所以放置了很多的水马 。 这些体积并不大的水马就能让桥抖成这样吗？
上文我们提到过 ， 涡振主要是因为卡门涡街形成的 ， 当桥面上放置了水马后 ， 桥面的空气动力性发生了改变 ， 更容易形成漩涡 ， 同时涡街的振动频率也发生了改变 ， 刚好与桥的自由频率接近 ， 就发生了振动 。
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如图 ， 在桥的一侧放置水马 ， 然后用计算机模拟水马对桥梁横截面二维空气动力性能的影响 。 结论是在有水马的情况下 ， 在尾缘及底板附近存在更加明显的涡 。
可能有人会提出质疑：桥上还有那么多汽车呢 ， 为什么汽车就不会引起涡振呢？
水马是统一规格 ， 而且整齐地排成一排 ， 而汽车由于尺寸不同 ， 中间还有缝隙 ， 所以无法在整个桥的长度方向形成统一的空气动力性影响 。
再回想一下上文中法国军队齐步走导致桥塌了的例子：把水马整齐地码放在桥上跟一群人在桥上齐步走类似 ， 频率接近桥的自有频率可能会很危险；而汽车在桥上开则类似于一群人在杂乱无章地走动 ， 不会对桥造成威胁 。
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其实在桥梁设计和建造的时候 ， 都会考虑避免涡振现象的出现 ， 现代桥梁一般都会用桁架结构作为桥梁的侧面 ， 这样侧风吹过后 ， 形成的漩涡频率不一致 ， 就不会引起共振现象的出现 。
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大桥抖动是个例吗？
桥梁在设计时 ， 风的影响是必须考虑在内的 。 大桥在特定环境风速下的振动 ， 只要在设计范围内都是安全和正常的 。
今年4月26日 ， 武汉鹦鹉洲长江大桥也曾因为环境风扰动 ， 使桥体产生了一定的晃动 。 这种晃动在专业评测单位鉴定后 ， 确认是在被允许的设计范围之内 ， 所以不会有安全隐患 。
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2010年5月19日晚 ， 俄罗斯莫斯科的伏尔加河大桥也由于风发生了涡振 ， 桥身摆动剧烈 ， 呈波浪形翻滚 ， 整个桥体也出现了较为明显的左右晃动 ， 正在桥上行驶的车辆也在滚动中跳动 。 但是 ， 当大桥停止振动后 ， 专家发现桥梁无裂纹 ， 无损伤 。
日本东京湾通道桥也发生过类似的振动 ， 当时主桥在16~17米/秒的风速下发生了竖向涡振现象 ， 跨中振幅达50厘米 。
并不是说桥抖动了就一定会发生什么可怕的事情 ， 只要在设计允许的范围内就没事 。
大风真的能损坏大桥吗？
先说答案——能 。 美国著名的塔科马大桥垮塌事件 ， 就是风致桥梁损坏的例子 。
塔科马海峡大桥建成后 ， 只要有4英里/小时的小风吹过 ， 桥梁就会有轻微的上下起伏 。 1940年 ， 在大桥建成后4个月的一次8级风作用下 ， 大桥在风中疯狂扭动 ， 倾斜程度可达45度 ， 随后轰然倒塌沉入海峡 。
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自此之后 ， 土木工程界充分认识到了空气动力学对桥梁带来的影响 ， 后面所有的大型桥梁都要进行抗共振能力检测 。
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后来 ， 人们对塔科马海峡大桥进行了重建 ， 道床厚度增至10米 ， 并在路面上加入气孔 ， 使空气可在路面上穿越 ， 防止卡门涡街的产生 ， 是现在全美国第五长的悬索桥 。
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其实 ， 塔科马大桥倒塌的原因是颤振 ， 颤振是风速较高时引起的一种振动 ， 对桥梁的威胁巨大 。
不过 ， 在塔科马大桥事件后 ， 全世界的桥梁工程师都已经重视该问题 ， 并且在设计时就会想办法避免 。 如虎门大桥如果发生颤振 ， 需要风速大于79米/秒 ， 相当于18级大风 ， 显然这在实际生活中是不会出现的 。
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海上的台风一般也到不了18级 ， 登陆后更不会
综上所述
桥梁在设计的时候都会考虑风的影响
不会随随便便就被风吹塌的
大家在大风天过桥的时候不用担心
本文专家：郭亮 ， 中国科学院力学研究所柔性电子技术实验室主任
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