曾经中国桥梁建设的最高成就，如今缘何会诡异“风中起舞”

 

珠江三角洲是中国经济最繁华、人口流动规模最大的地区之一，而作为连接珠江口两岸仅有的几条通道之中最主要的一条，每到假期，虎门大桥都会上热搜，今年也不例外。

但是和往年“大拥堵”不同的是，今年虎门大桥上热搜，却是因为一件更加诡异的事情。

“五一”假期最后一天的下午，当大批车主将车开上虎门大桥，准备经此返程时，忽然感觉到了一阵上下摇晃。很多车主刚开始还以为是错觉，直到整个大桥抖动明显。后来有车主回忆时说“感觉桥面波澜起伏，像坐船一样”，“摇得人头晕”。

同一时间，从外面看上去，整座桥竟然“扭”了起来，坚硬的桥面像波浪一样起伏，起伏的幅度肉眼可见。后来的司机见状都不敢向前，只能把车停在大桥前，等待相关人员来检查。

这座20世纪中国桥梁建设最高成就出了问题，一经报道便吸引了全社会强烈关注和热烈讨论。

其中不少人想到了前几年建筑行业常常出现的工程质量问题，还有人联想到了上世纪40年代，刚修好4个月就倒塌的美国华盛顿州塔科马海峡大桥。这座桥在倒塌前同样在微风中出现了扭动，随后扭动幅度逐渐增大，直至将自己扭断，大桥一段桥面坠入海中。

不过，国内12位知名桥梁专家齐聚一堂分析情况后，很快得出结论：虎门大桥振动是涡振产生的，对桥梁结构不会产生大的影响。

专家还表示，虎门大桥和塔科马大桥的情况不同，塔科马海峡大桥属于颤振，而虎门大桥属于涡振。

这番言论将民众的关注焦点吸引到了“涡振”上。那么，什么是涡振，涡振对桥梁真的是无害的吗?

共振

要了解这个问题，先要了解共振的概念。

共振(resonance)是物理学上的一个运用频率非常高的专业术语，是指一物理系统在特定频率下，比其他频率以更大的振幅做振动的情形;这些特定频率称之为共振频率。

简单说，就是当外物的振动频率和物体本身的振动频率相近或一致时，会导致物体的振动幅度加强，当它的振幅超过其能够承受的幅度时，物体就会解体。

关于桥梁共振，最著名的一件事发生在1849年。当时一队拿破仑军队齐步走通过法国昂热市曼恩河上的一座桥梁时，桥梁突然断裂，266人落水而死，其原因就是军队整齐的踏步频率和大桥自然振动频率一致导致的共振效应。

当然，关于这件事是否存在还有争议，但是它至少比较清楚地解释了共振的成因和后果。

在实际情况中，导致桥梁剧烈震动的主要还是2种自然原因：一是地震，二是风。

地震不必多说，风则是本文，也是这次虎门大桥振动事件的主角。前文专家所说的颤振和涡振，也都可以归为风致(流致)振动，即风(流体)经过物体导致的振动。

关于桥梁风致振动的研究，正是从之前说的塔科马大桥倒塌开始的。

“舞动的格蒂”

1940年11月7日，美国人在晚报上看到一则轰动性的新闻：“塔科马海峡大桥倒塌!”

这座桥位于华盛顿州首府西雅图之南约50公里处，全长1.8公里，单跨853米，当时还被成为“世界单跨桥之王”。该桥耗资640万美元建造，1940年7月1日才建成通车。

然而从通车第1天起，人们就发现，这座桥并不稳，一阵微风就能让它波动起来。

据说，一阵1.4-2.0米/秒的微风(只能把树叶吹动)，就能让它产生1.2米的起伏，让在上面行驶的车辆司机感到眩晕。

当地人因此给这座桥起了个“舞动的格蒂”的外号。当时人们仍然认为桥梁的结构强度足以支撑大桥。

此后，情况愈演愈烈，终于在其4个月后到达了顶点。当天10点，该地出现了强大的八级大风，“格蒂舞动”现象再次上演。和以往不同的是，在初期的小幅起伏过后，大桥的振动幅度剧烈提升。

以往大桥只是沿纵向方向波澜起伏，而这次竟然出现了科幻场景中才有的横向翻滚扭动，整座大桥成了一根巨大的“麻花”。

据报告，在扭动中，大桥左右桥侧的落差甚至达到17米，桥基左右摆动达45度。

1个小时后，扭动中的大桥终于不堪重负，从桁架开始，一整段桥面解体散架，随着一声巨响落入水中。该大桥的长期扭动吸引了许多专业学者和摄影爱好者前往，所以该大桥从振动到崩塌全过程，都被华盛顿大学一位教授拍摄了下来，现在网上都能看到。

事后调查显示，桥梁存在一定的设计问题。

桥梁的设计师是曾参与金门大桥设计的里昂·莫伊塞弗(Leon Moisseiff)。他认为，大桥采用斜拉索设计，主缆、桥墩和索塔可以分散风的能量，于是将大桥主梁从原先的7.6米缩减为2.4米，但是这不是主要影响原因。

更重要的是，他将大桥主梁的设计从钢桁架换成了钢板。这是大桥被风吹塌的重要原因——原来从桁架中通过的风，现在变成桥面上下两端吹过，其引发的气动效应导致大桥共振，最终崩塌。

不过，这实际上不能完全归罪与莫伊塞弗。因为在当时，整个桥梁工程界对于空气动力学没有丝毫概念。正是在这次事故后，科学家们才开始研究桥梁的风致振动问题。

大桥坍塌后，美国空气动力学界对事故产生了热烈讨论，并且逐渐分成了2派。

其中一派是以航空工程师为主，他们认为桥梁是出现了飞机机翼颤振类似的现象;另一派则是以著名空气动力学家、钱学森导师冯·卡门为主的“涡振派”，他们认为是涡振导致了大桥倒塌。

涡振

冯·卡门认为，风流过大桥断面时，形成了他在1911年发现的“卡门涡街”现象，这是大桥倒塌的罪魁祸首。

所谓“卡门涡街”，就是说流体在绕过钝型物体时，会在物体两侧周期性地交替脱落出旋转方向相反、有规则排列的双列线涡。

冯·卡门表示：“由于风流过大桥断面形成卡门涡街，在漩涡交替脱落产生的外激载荷作用下，结构发生振动响应，并且恰好由于漩涡脱落频率结构固有频率一致，导致共振发生。”

用简单的话说，就是当风从桥的侧面吹来时，被桥面“切开”，随之在桥的上下面周期性地交错形成向后吹的漩涡。

在流体力学中，涡流区域的气压较低，这就使得周围物体会受到向漩涡方向的力。当桥的上下面交替出现漩涡时，相当于桥梁轮流受到上下方向的力，形成振动。

而当这个力发生的周期正好和桥梁本身的振动频率一致时，共振就出现了。

这个观点简单易懂，完全可以解释大桥倒塌的原因，再加上冯∙卡门的显著个人影响力，“涡振”说很快占据了主导地位，并一度记载进美国高中物理课本乃至更高级别的工程学教科书，作为共振的典型案例进行教学。

然而，之后数十年桥梁工程师在风洞做实验，希望复现塔科马大桥的涡振时发现，一些数据存在冲突。

在风洞中，大桥刚硬断面的绕流涡脱频率约为1Hz，并不等于其固有扭转频率(0.2Hz)，相差很大。反之，若设计出脱涡频率与结构固有频率相同的模型进行数值模拟，涡振的幅值只有0.5度，远不足以使桥梁发生破坏。

因此，颤振说重新进入人们的视野。

颤振

所谓颤振，弹性结构在均匀气(或液)流中受到空气(或液体)动力、弹性力和惯性力(见达朗伯原理)的耦合作用而发生的大幅度振动。

简单说，当弹性结构受到某种气动力时，可能会发生振动、扭曲、变形等现象，这些现象又会产生更强的附加气动力，进一步致使更大程度结构运动，如此循环，并可能导致振幅加剧，最终超过其耐受力，导致崩溃。

这一现象在航空领域最为突出，飞机机翼是颤振发生的重灾区。

而在桥梁中，由于桥体也有一定弹性，会受到风的影响，这同样是个问题。

最终，曾在普林斯顿大学和约翰霍普金斯大学担任教授的罗伯特·斯坎兰(Robert H. Scanlan)教授与他的学生详细地总结了前人的实验，确定塔科马大桥的倒塌是因为颤振所致。在上世纪90年代后期，美国物理教科书也因此重新进行了修正，澄清了大桥的倒塌原因。

结构安全?

虎门大桥副总工程师张鑫敏透露，虎门大桥发生的是涡振，是由于当时大桥在修吊杆和主缆，桥梁两边放置了临时挡墙(俗称“水马”)防止车撞，把桥上通风的部分堵住了，导致原来流线型的桥梁结构变成了一堵墙，造成了涡振的现象。

那么该桥到底是否安全?还能不能恢复通车?

从历史上看，桥梁发生涡振后继续使用的例子是存在的。

日本东京湾跨海大桥在建成后，曾在16-17m/s的风速下发生了跨中振幅50cm的竖向涡激振动，但目前仍在安全使用。

俄罗斯首都莫斯科南方的伏尔加格勒过河大桥也曾在2010年发生离奇摆动，大桥不仅呈波浪形振动，还出现了较为明显的左右晃动，连桥上的车辆也在滚动中跳动起来。但专家事后检查发现，桥梁各处道路和围栏无裂纹、无损伤。

总体而言，涡振不会像颤振一样，引起桥梁毁灭性的破坏，其危害主要在于如果长时间持续，会造成桥梁构件疲劳破坏。只要桥梁构件没有损坏，大桥就能继续使用。

而根据5月10日广东省交通运输厅组织的虎门大桥悬索桥结构安全评估报告评审会安全评估结果，“虎门大桥悬索桥结构技术状况和承载性能保持稳定，此次振动未影响结构安全，桥梁关键构件钢箱梁、吊索、主索鞍、散索鞍、支座、伸缩缝等均未发现异常。与会专家认为检(监)测项目较为齐全、方法合理规范，数据可信，同意检测单位和设计单位的评估结论，悬索桥结构安全”。

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