啥？引发虎门大桥异常振动的卡门涡街，还能发电？
来源：蝌蚪五线谱近日 ， 广东虎门大桥出现大幅摇晃 ， 瞬间引发网友们热议 。 其实早在4月26日 ，武汉鹦鹉洲长江大桥像波浪一样起伏， 就曾吓煞一众路人 。
虎门大桥大幅摆动 ， 图自央视网新闻
图自交通发布作为中国自行设计建造的第一座现代化特大型悬索桥 ， 虎门大桥被认为是我国二十世纪桥梁建设领域的最高成就 ， 其建成通车不过二十年 ， 按照我国桥梁建设动辄一百年的规划标准 ， 基本可排除存在设计缺陷的可能性 。 其实 ， 鹦鹉洲长江大桥和虎门大桥的摆动都与风有关 ， 罪魁祸首正是风产生的卡门涡街 。下面让我们一起来了解一下这个 神奇的卡门涡街 吧！0 1卡门涡街是什么鬼？如果徜徉在小桥流水间 ， 你一定会发现 ， 当河水流速较快时 ， 水流在遇到桥墩后会被分成两股绕行 。 奇妙的是 ， 两股水流并不对称 ， 而是呈现出两组交替的小漩涡向下游运动 ， 比如这样：
卡门涡街示意图图自维基百科类似上面这种流体绕过物体时产生两排交错涡旋的现象 ， 在流体力学中被称为 卡门涡街， 最初由钱学森的导师——冯·卡门发现并命名 。 至于为何两排涡旋不对称 ， 至今仍是困扰流体力学家的一个迷 。日常生活中 ， 当风吹过桥面时大多都会形成卡门涡街 ， 两组周期性的、交替变化的涡旋分别对桥面上下产生作用力 ， 桥面就随之振动起来 。 不过 ， 由于桥面通常设计成流线型 ， 两组涡旋紧贴桥面 ， 作用力较小 ， 引起的振动幅度很小 ，平时很难被察觉到。 然而 ， 近期人们在对虎门大桥进行维护时 ， 在桥面上放置了一排 隔离挡板。 这些一米多高的小家伙瞬间 破坏了大桥的气动外形， 两组涡旋与桥面脱离 ， 作用力的大小和频率都增大 ， 一旦作用频率与桥梁本身固有频率一致而形成共振 ， 桥面产生显著起伏也就不足为奇了 。
虎门大桥桥面放置的隔离挡板改变了大桥气动外形 ， 图自央视网新闻0 2卡门涡街有何危害？卡门涡街常常对桥梁造成危害 ， 其中最经典的案例莫过于 美国塔科马大桥的坍塌。 1940年11月 ，建成仅4个月的塔科马大桥在低速风中发生强烈摆动 ， 振动幅度一度达到惊人的9米 ， 随后桥梁轰然垮塌坠入海中。 后来的研究表明 ， 事故元凶正是 卡门涡街引起的共振。 塔科马大桥的坍塌震惊了当时的桥梁界 ， 此后桥梁模型风洞测试被纳入桥梁试验中 ， 桥梁的风致振动问题也发展成为一门新兴学科 。
塔科马大桥垮塌瞬间图自搜狐网值得一提的是 ， 卡门涡街似乎对 悬索桥 情有独钟 ，鹦鹉洲长江大桥、虎门大桥与塔科马大桥均为悬索桥。 悬索桥 ， 即俗称的 吊桥， 由于无需在桥中心设置桥墩 ， 可以造得很高 ， 常用于 跨水大桥 的设计中 ， 以便船舶自由通行 。 但悬索桥却有个先天的毛病—— 固有频率低、稳定性差， 因此它对风载荷非常敏感 ， 很容易受到卡门涡街的影响 。 不过 ， 自塔科马大桥之后 ， 现代悬索桥在建设前都会考虑抗风振设计 ， 建成后也会安装桥梁变形实时监测系统 ， 因而行经悬索桥时大可不必恐慌 。
悬索桥是卡门涡街最为偏爱的桥梁图自中资路桥除了桥梁 ， 卡门涡街还可能给高楼、烟囱等建筑带来安全隐患 ， 在中央广播电视塔、东方明珠电视塔建造前 ， 都曾考虑了卡门涡街的因素 。0 3卡门涡街的妙用事物总有两面性 ， 卡门涡街也并非无恶不作 ， 它同样能够 为人所用。 既然卡门涡街可以对物体施加周期性的作用力 ， 何不用它来 发电 呢？哈尔滨工程大学的科研人员就设计了这样一种发电装置 。 他们制作的迎风桶在风的吹拂下可产生卡门涡街 ， 周期性作用于放大板 ， 使其做往复摆动 ， 从而带动发电机转子旋转 ， 切割磁感线产生电流 。此外 ， 人们研究流水中的卡门涡街后进一步发现 ， 在障碍物两侧形成的涡旋交替频率与被阻塞的流量成正比 ， 因此发明了涡街流量计 ， 用以测量管道内的流量 。 如今 ， 涡街流量计已被广泛应用于工业生产中 。
涡街流量计原理示意图自instrumentationtools看到这里你是不是对卡门涡街有了一个更全面的认识呢?这种神奇的现象催生了一门新的学科也同样能够被人类所利用哦~END参考文献：[1] 央视网新闻. 虎门大桥竖向位移最大达44.61厘米,主体结构未受明显影响[EB/OL]. (2020-05-08)[ 2020-05-08].[2] 万健. 虎门大桥的风振响应分析[J]. 低温建筑技术, 2014(2): 99-101.[3] 洪灶明. 大跨度悬索管桥动力特性及风振响应分析[J]. 交通科技, 2009(4): 7-9.[4] 邱法维, 杜文博, 钱稼茹, 等. 虎门大桥应变监测数据处理系统设计[J]. 桥梁建设, 2003(2): 66-69.[5] 陆小华. 土木工程事故案例[M]. 武汉: 武汉大学出版社, 2009.[6] 胡健, 王子斌, 王超, 等. 一种利用卡门涡街进行发电的装置: 中国, 201810662079.2啥？引发虎门大桥异常振动的卡门涡街，还能发电？。. 2018-06-25.蝌蚪五线谱原创文章作者：朱磊责编：王经纬
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