5月5日15時(shí)32分左右，廣東虎門大橋發(fā)生異常抖動(dòng)，引起網(wǎng)友關(guān)注。
相關(guān)部門對(duì)虎門大橋進(jìn)行了交通管制，截止到發(fā)稿前大橋仍然封閉。
從上圖中能夠看到，大橋橋面出現(xiàn)輕微起伏的波浪。
根據(jù)專家組初步判斷，虎門大橋本次振動(dòng)的主要原因是沿橋跨邊護(hù)欄連續(xù)設(shè)置水馬，改變了鋼箱梁的氣動(dòng)外形，在特定風(fēng)環(huán)境條件下，產(chǎn)生了橋梁渦振現(xiàn)象。
那么，橋梁渦振現(xiàn)象是什么？大橋這樣抖動(dòng)真的是個(gè)例嗎？歷史上還真有大風(fēng)把橋吹塌的案例嗎？今天我們就來刨根問底。
什么是渦振現(xiàn)象？
渦振的全稱是渦激振動(dòng)，指的是氣流在繞過鈍體結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)發(fā)生周期性的旋渦脫落，產(chǎn)生周期性的上下交替變化的渦激力。這個(gè)旋渦脫落時(shí)的頻率會(huì)隨著風(fēng)速變化，也跟橋的主梁高度有關(guān)，當(dāng)這個(gè)頻率接近結(jié)構(gòu)自振頻率時(shí)，旋渦脫落和結(jié)構(gòu)振動(dòng)互相鎖定，就形成了共振現(xiàn)象。
要想完全理解渦振現(xiàn)象，首先要搞清楚這里面牽扯的兩個(gè)重要的物理概念，一個(gè)叫作卡門渦街，一個(gè)叫作共振。
卡門渦街：是指在一定條件下的定常來流繞過某些物體時(shí)，物體兩側(cè)會(huì)周期性地脫落出旋轉(zhuǎn)方向相反、排列規(guī)則的雙列線渦。
定義看不懂？說得通俗一點(diǎn)：一個(gè)排球扔到空中，風(fēng)從左向右吹拂。風(fēng)遇到排球后，被排球分開，之后會(huì)在排球的右側(cè)再次匯合，如果風(fēng)力較大的情況下，在排球的右側(cè)，風(fēng)來不及匯合起來，就會(huì)出現(xiàn)漩渦。這個(gè)漩渦就是卡門渦街。
生活中流體的這種現(xiàn)象其實(shí)非常普遍，如橋墩的后面不適合游泳，就是卡門渦街導(dǎo)致的。
共振：物體在特定頻率下，相比其他頻率以更大的振幅做振動(dòng)的情形，這個(gè)特定頻率稱之為共振頻率。
19世紀(jì)初，一隊(duì)法國士兵在指揮官的口令下，邁著整齊劃一的步伐通過一座大橋。快走到橋中間時(shí)，橋梁突然發(fā)生強(qiáng)烈的顫動(dòng)并且最終斷裂坍塌，許多官兵和市民喪生。
人走路踩地的力量顯然是不會(huì)把橋踩塌了的，那么為什么會(huì)發(fā)生這種事情呢？這是因?yàn)椴筷?duì)這么多人齊步走的步調(diào)頻率剛好與橋梁的自有頻率吻合，造成了共振，最終坍塌。在這之后，軍隊(duì)通過橋梁都不允許用統(tǒng)一的步伐前進(jìn)，以避免共振。
軍訓(xùn)時(shí)如果過橋，教官一定會(huì)命令便步走
到這里就可以解釋虎門大橋抖動(dòng)的原因：當(dāng)天出現(xiàn)的特定風(fēng)環(huán)境，在橋的主梁上形成了卡門渦街，這個(gè)渦街的振動(dòng)頻率剛好跟橋本身的自有頻率接近，所以產(chǎn)生了渦振現(xiàn)象，橋就跟著抖動(dòng)起來了。
“罪魁禍?zhǔn)住彼R起了什么作用？
水馬是一種用于分割路面或形成阻擋的塑制殼體障礙物，通常是上小下大的結(jié)構(gòu)，上方有孔以注水增重。就長這樣：
虎門大橋近期進(jìn)行了檢測和維修工作，所以放置了很多的水馬。這些體積并不大的水馬就能讓橋抖成這樣嗎？
上文我們提到過，渦振主要是因?yàn)榭ㄩT渦街形成的，當(dāng)橋面上放置了水馬后，橋面的空氣動(dòng)力性發(fā)生了改變，更容易形成漩渦，同時(shí)渦街的振動(dòng)頻率也發(fā)生了改變，剛好與橋的自由頻率接近，就發(fā)生了振動(dòng)。
如圖，在橋的一側(cè)放置水馬，然后用計(jì)算機(jī)模擬水馬對(duì)橋梁橫截面二維空氣動(dòng)力性能的影響。結(jié)論是在有水馬的情況下，在尾緣及底板附近存在更加明顯的渦。
可能有人會(huì)提出質(zhì)疑：橋上還有那么多汽車呢，為什么汽車就不會(huì)引起渦振呢？
水馬是統(tǒng)一規(guī)格，而且整齊地排成一排，而汽車由于尺寸不同，中間還有縫隙，所以無法在整個(gè)橋的長度方向形成統(tǒng)一的空氣動(dòng)力性影響。
再回想一下上文中法國軍隊(duì)齊步走導(dǎo)致橋塌了的例子：把水馬整齊地碼放在橋上跟一群人在橋上齊步走類似，頻率接近橋的自有頻率可能會(huì)很危險(xiǎn)；而汽車在橋上開則類似于一群人在雜亂無章地走動(dòng)，不會(huì)對(duì)橋造成威脅。
其實(shí)在橋梁設(shè)計(jì)和建造的時(shí)候，都會(huì)考慮避免渦振現(xiàn)象的出現(xiàn)，現(xiàn)代橋梁一般都會(huì)用桁架結(jié)構(gòu)作為橋梁的側(cè)面，這樣側(cè)風(fēng)吹過后，形成的漩渦頻率不一致，就不會(huì)引起共振現(xiàn)象的出現(xiàn)。
大橋抖動(dòng)是個(gè)例嗎？
橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)的影響是必須考慮在內(nèi)的。大橋在特定環(huán)境風(fēng)速下的振動(dòng)，只要在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)都是安全和正常的。
今年4月26日，武漢鸚鵡洲長江大橋也曾因?yàn)榄h(huán)境風(fēng)擾動(dòng)，使橋體產(chǎn)生了一定的晃動(dòng)。這種晃動(dòng)在專業(yè)評(píng)測單位鑒定后，確認(rèn)是在被允許的設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，所以不會(huì)有安全隱患。
2010年5月19日晚，俄羅斯莫斯科的伏爾加河大橋也由于風(fēng)發(fā)生了渦振，橋身擺動(dòng)劇烈，呈波浪形翻滾，整個(gè)橋體也出現(xiàn)了較為明顯的左右晃動(dòng)，正在橋上行駛的車輛也在滾動(dòng)中跳動(dòng)。但是，當(dāng)大橋停止振動(dòng)后，專家發(fā)現(xiàn)橋梁無裂紋，無損傷。
日本東京灣通道橋也發(fā)生過類似的振動(dòng)，當(dāng)時(shí)主橋在16~17米/秒的風(fēng)速下發(fā)生了豎向渦振現(xiàn)象，跨中振幅達(dá)50厘米。
并不是說橋抖動(dòng)了就一定會(huì)發(fā)生什么可怕的事情，只要在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)就沒事。
大風(fēng)真的能損壞大橋嗎？
先說答案——能。美國著名的塔科馬大橋垮塌事件，就是風(fēng)致橋梁損壞的例子。
塔科馬海峽大橋建成后，只要有4英里/小時(shí)的小風(fēng)吹過，橋梁就會(huì)有輕微的上下起伏。1940年，在大橋建成后4個(gè)月的一次8級(jí)風(fēng)作用下，大橋在風(fēng)中瘋狂扭動(dòng)，傾斜程度可達(dá)45度，隨后轟然倒塌沉入海峽。
自此之后，土木工程界充分認(rèn)識(shí)到了空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)橋梁帶來的影響，后面所有的大型橋梁都要進(jìn)行抗共振能力檢測。
后來，人們對(duì)塔科馬海峽大橋進(jìn)行了重建，道床厚度增至10米，并在路面上加入氣孔，使空氣可在路面上穿越，防止卡門渦街的產(chǎn)生，是現(xiàn)在全美國第五長的懸索橋。
其實(shí)，塔科馬大橋倒塌的原因是顫振，顫振是風(fēng)速較高時(shí)引起的一種振動(dòng)，對(duì)橋梁的威脅巨大。
不過，在塔科馬大橋事件后，全世界的橋梁工程師都已經(jīng)重視該問題，并且在設(shè)計(jì)時(shí)就會(huì)想辦法避免。如虎門大橋如果發(fā)生顫振，需要風(fēng)速大于79米/秒，相當(dāng)于18級(jí)大風(fēng)，顯然這在實(shí)際生活中是不會(huì)出現(xiàn)的。
海上的臺(tái)風(fēng)一般也到不了18級(jí)，登陸后更不會(huì)
綜上所述
橋梁在設(shè)計(jì)的時(shí)候都會(huì)考慮風(fēng)的影響
不會(huì)隨隨便便就被風(fēng)吹塌的
大家在大風(fēng)天過橋的時(shí)候不用擔(dān)心