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『AutoLab』1.2m 高的水马可以撼动 15km 长的跨海大桥，这背后的原理其实和汽车空气动力学有些相似


五一假期的最后一天 ， 新闻头条给了广东的虎门大桥 。 从多家媒体报道及现场视频得知 ， 5.5下午虎门大桥发生了异常抖动 ， 整段桥面像波浪一样起起伏伏的在摇晃 ， 现场一度看起来有些惊悚 。

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而很快 ， 关于大桥异常抖动的原因也出来了 。 根据今日凌晨广东省交通集团通报 ， 专家组初步判断大桥抖动是因为桥梁在特定风环境条件下 ， 产生了桥梁涡振现象 ， 并不会影响虎门大桥后续使用的结构安全和耐久性 。
至于发生桥梁涡振的主要原因则是：沿桥跨边护栏连续设置的水马 ， 改变了钢箱梁的气动外形 。
"水马" ， 其实就是我们日常在道路经常见到东西 ， 如下图 ， 塑料空心结构 ， 中间注水用来当作临时路障 。 而"气动外形"这个词听起来也很像汽车上术语 。
【『AutoLab』1.2m 高的水马可以撼动 15km 长的跨海大桥，这背后的原理其实和汽车空气动力学有些相似】
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不过一排小小的水马竟然能让一座跨海大桥发生异常抖动 ， 这还是有点厉害了 。 而这背后的原理其实和汽车的空气动力学也是有些相似的 。 大家都知道 ， 汽车开发是应用到空气动力学的 ， 风阻系数这个词就是这一体现 。
通过汽车的形面设计 ， 使汽车的迎风面积尽量缩小 ， 同时还要注意导流 ， 让空气尽量贴着物体表面走 ， 因为当较快的风速遇到凹凸不平的面 ， 很容易产生混乱的涡流 ， 不仅消耗汽车动能 ， 对车身稳定性也有影响 。

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涡流这一点很好理解 ， 如果你有过驾驶经验 ， 当速度高于50km/h ， 你打开部分车窗 ， 如果能感受到风伴随着你的头发在脸上胡乱的吹过 ， 那就近似是产生涡流了 。 当然了 ， 在汽车上 ， 真正通常乱流产生较大的区域是三厢车的后车窗处 。
所以汽车上通常的做法是 ， 尽量减少凹凸面 ， 或者进行导流设计 ， 比如一些前包围、翼子板、前后扩散器以及加装底盘护板的做法 ， 在加快空气流速提高下压力的同时也是起到防止空气流动混乱 。
不过和汽车不同的是 ， 在大型桥梁或者建筑上 ， 应用空气动力学主要目的并不是利用风来做什么事情 。 而是尽量降低风对于建筑的风压以及空气动力干扰 ， 也就是尽量让风"无视"或不影响到自己 ， 这一点对于一些高层建筑及跨海大桥尤为重要 。
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▲日本TozakiBridge桥梁上的双层翼板设计
比如 ， 现如今大型建筑物在建设前都会和汽车或飞机一样做风洞实验 ， 而很多桥梁在建设时也会通过设计防撞护栏形式或者设计一个类似汽车上的翼子板一样的护栏进行导流 ， 从而减低空气动力干扰 。
而此次虎门大桥产生的"桥梁涡振"全称应该是"桥梁涡激共振" ， 其意思就是指在平均风作用下 ， 有绕流通过实腹梁桥断面后交替脱落的涡旋引起的振动 。

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而网上流传的另一种说法"卡门涡街效应" ， 其实也是流体力学的一个分支 ， 其提出者则是大名鼎鼎的冯·卡门先生 。 不过"桥梁涡振"现象和"卡门涡街效应"是类似的 ， 都能解释这次虎门大桥为什么会发生异常抖动 。
就是当一定的风速吹过虎门大桥时 ， 刚好一排不大不小1.2M高的水马对气流产生了影响 ， 使穿过大桥的气流周期性地产生两串平行的反向旋涡 ， 继而连续性的旋涡会对被绕的桥梁产生周期性作用力 ， 这个力刚好与桥梁的自振接近从而产生共振 ， 继而又使得桥梁自身的振幅得到放大最终导致了视频中桥面接近扭曲的效应 。


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