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每逢節(jié)假日，虎門(mén)大橋必上熱搜。不同于此前的“堵”上熱搜，昨天的虎門(mén)大橋以“奇”被熱議。
2020 年 5 月 5 日 14 時(shí)左右，虎門(mén)大橋出現(xiàn)了異常振動(dòng)，橋面以“波浪狀”上下晃動(dòng)。大橋管理部門(mén)隨即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，聯(lián)合交警部門(mén)采取了雙向交通管制措施。
從 GIF 來(lái)看，可謂是橋上的人擔(dān)驚受怕，橋外的人連聲嘆 wow。
有網(wǎng)友調(diào)侃虎門(mén)大橋喝醉了；或是說(shuō)天太熱了，大口喘氣中；有的還開(kāi)玩笑稱“明天就要開(kāi)始收費(fèi)了，橋激動(dòng)了”。
值得注意的是，4 月 26 日，武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋橋體也出現(xiàn)了波浪狀晃動(dòng)。與虎門(mén)大橋一樣，鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋亦是懸索橋。如此巧合下，橋梁波動(dòng)，是懸索橋的鍋嗎？橋梁晃動(dòng)的背后成因是什么？
雷鋒網(wǎng)注：圖源澎湃新聞
虎門(mén)大橋建于 1992 年，投資近 30 億，全長(zhǎng) 4588 米，是連通廣州市南沙區(qū)與東莞市虎門(mén)鎮(zhèn)的一座跨海大橋，同時(shí)也是我國(guó)第一座真正意義上的大規(guī)?，F(xiàn)代化懸索橋。
資料顯示，懸索橋（Suspension Bridge）是指以通過(guò)索塔懸掛并錨固于兩岸（或橋兩端）的纜索（或鋼鏈）作為上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件的橋梁，主要由懸索、索塔、錨碇、吊桿、橋面系等部分組成。
相對(duì)于其他橋梁，懸索橋可以使用較少的物質(zhì)建造，且能夠跨越較長(zhǎng)的距離，較為靈活。在水面上，懸索橋可以造得比較高，容許船在下面通過(guò)，且在造橋時(shí)無(wú)需在橋中心建立暫時(shí)的橋墩。
不過(guò)，作為一種大跨徑柔性結(jié)構(gòu)，懸索橋?qū)︼L(fēng)的作用十分敏感，抗風(fēng)穩(wěn)定性是影響懸索橋設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵。其中，橋梁寬跨比，風(fēng)的特性等都是影響抗風(fēng)性的重要因素。
中鐵四局集團(tuán)市政工程有限公司總工程師周江接受《科技日?qǐng)?bào)》的采訪時(shí)表示，懸索橋是一種高超靜定結(jié)構(gòu)，影響抗風(fēng)振能力的因素有很多?？癸L(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范的現(xiàn)代懸索橋，只要風(fēng)力不超過(guò)設(shè)計(jì)允許范圍，其結(jié)構(gòu)安全性是不用擔(dān)心的。
在虎門(mén)大橋產(chǎn)生波動(dòng)之后，國(guó)內(nèi)多名橋梁專(zhuān)家對(duì)橋梁進(jìn)行了研判。5 月 6 日凌晨，廣東省交通集團(tuán)通報(bào)稱：
專(zhuān)家組初判，虎門(mén)大橋懸索橋振動(dòng)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)生橋梁渦振現(xiàn)象。
另外，廣東省交通集團(tuán)還表示，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)和觀測(cè)到的現(xiàn)象分析，此次振動(dòng)不會(huì)影響大橋后續(xù)使用的結(jié)構(gòu)安全和耐久性。
也就是說(shuō)，虎門(mén)大橋的晃動(dòng)只是偶發(fā)事件，不會(huì)影響后期使用。
水馬長(zhǎng)這樣
橋梁設(shè)計(jì)、橋梁風(fēng)工程研究專(zhuān)家葛耀君解釋道，由于虎門(mén)大橋在修吊桿和主纜，為了防止車(chē)撞，會(huì)在橋的兩邊放置了臨時(shí)的擋墻，俗稱“水馬”，由此改變了橋梁結(jié)構(gòu)的外形。多數(shù)情況下，橋的結(jié)構(gòu)是非常流線型的，加了水馬之后會(huì)變鈍，由此容易引起渦振現(xiàn)象。
渦振，又稱渦激振動(dòng)（Vortex-Induced Vibration，VIV），是橋梁結(jié)構(gòu)的一種風(fēng)致振動(dòng)形式。
資料顯示，橋梁渦振是一種兼有自激振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)特性的有限振幅振動(dòng)，它在一個(gè)相當(dāng)大的風(fēng)速范圍內(nèi)，可保持渦激頻率不變，產(chǎn)生一種“鎖定”（lock-on）現(xiàn)象。
值得注意的是，引起橋梁渦振不在于風(fēng)力多大，而是一種共振效應(yīng)；這也就解釋了 5 日在風(fēng)速不大的情況下，虎門(mén)大橋卻產(chǎn)生大幅振動(dòng)的原因。
據(jù)中央紀(jì)委國(guó)家監(jiān)委網(wǎng)站報(bào)道，渦激共振主要具有五方面的特征：
一種在較低風(fēng)速下發(fā)生的有限振幅振動(dòng)；
只在某一風(fēng)速區(qū)間內(nèi)發(fā)生；
最大振幅對(duì)阻尼有很大的依賴性；
渦激響應(yīng)對(duì)截面形狀的微小變化很敏感；
渦激振動(dòng)可以激起彎曲振動(dòng)，也可以激起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。
同時(shí)，報(bào)道還指出，渦激振動(dòng)和氣流之間會(huì)相互制衡，渦振振幅不會(huì)無(wú)限增大，因此很少會(huì)造成結(jié)構(gòu)的徹底損壞。
雖然橋體不會(huì)受到損壞，但對(duì)于出行，上下擺動(dòng)的橋體容易讓人產(chǎn)生暈眩感，存在著較大安全隱患。另外，如果振動(dòng)發(fā)生的頻率高，可能會(huì)導(dǎo)致橋上桿件出現(xiàn)裂紋或疲勞破壞。
在處理渦激振動(dòng)問(wèn)題時(shí)，需要把流體和固體彈性系統(tǒng)作為一個(gè)統(tǒng)一的動(dòng)力系統(tǒng)考慮，找到兩者的耦合條件。由此，為了抑制渦振，通常會(huì)通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)選取一個(gè)合適的截面破壞漩渦脫落，以此降低渦激振動(dòng)的響應(yīng)。
前面提到，虎門(mén)大橋是由于設(shè)置水馬改變了鋼箱梁的氣動(dòng)外形才引起了渦振現(xiàn)象，由此，葛耀君建議：
解決辦法就是，加了什么拿掉什么，短時(shí)間內(nèi)或還會(huì)有振動(dòng)，因?yàn)槟芰窟€沒(méi)耗散掉。
除了渦激振動(dòng)，關(guān)于橋梁振動(dòng)還存在顫振、抖振、馳振等形式，而這些都會(huì)對(duì)橋梁的正常使用造成影響，甚至嚴(yán)重情況下會(huì)對(duì)橋梁造成破壞。
在國(guó)內(nèi)外記錄中，大橋晃動(dòng)的實(shí)例屢見(jiàn)不鮮。
雷鋒網(wǎng)注：圖為伏爾加格勒大橋
伏爾加格勒大橋“蛇形共振”
2010 年 5 月 19 日，伏爾加格勒過(guò)河大橋橋面突然呈波浪形翻滾。從側(cè)面看去，橋邊一段接著一段，不停地上上下下。
屆時(shí)，俄羅斯著名橋梁專(zhuān)家阿納托利表示，這種現(xiàn)象可能因風(fēng)波動(dòng)和負(fù)載所共振而發(fā)生。大橋振動(dòng)停止后，專(zhuān)家檢查了橋梁各處道路和圍欄等，發(fā)現(xiàn)橋梁無(wú)裂紋，無(wú)損傷。
雷鋒網(wǎng)注：圖為日本東京灣大橋振動(dòng)場(chǎng)景
日本東京灣大橋“豎向渦振”
和虎門(mén)大橋一樣，東京灣大橋也曾產(chǎn)生過(guò)渦振。
東京灣大橋最大跨度 240m，曾在 16-17m/s 的風(fēng)速下，發(fā)生豎向渦振，其晃動(dòng)幅度達(dá) 50cm。
雷鋒網(wǎng)注：圖為塔科馬海峽吊橋
塔科馬海峽吊橋 “振動(dòng)倒塌”
塔科馬海峽吊橋跨度達(dá) 853 米，大橋建成通行四個(gè)月后，就發(fā)生了坍塌事故。
據(jù)悉，塔科馬海峽吊橋的設(shè)計(jì)師 Leon Moisseiff 認(rèn)為，斜拉索大橋主纜能夠化解一部分風(fēng)的壓力，同時(shí)，橋墩和索塔也能夠通過(guò)傳導(dǎo)分散能量，由此將橋的主梁由 7.6 米縮減至 2.4 米。
但由于沒(méi)有預(yù)見(jiàn)空氣動(dòng)力給橋梁帶來(lái)的共振影響，塔科馬海峽吊橋在微風(fēng)情況下都會(huì)發(fā)生晃動(dòng)，當(dāng)風(fēng)力值變大時(shí)，其晃動(dòng)幅度亦會(huì)增大。
坍塌事故發(fā)生后，美國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)家 Theodore von Karman 進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)倒塌原因在于橋面厚度不足，當(dāng)?shù)鯓蜃陨淼墓逃蓄l率和卡門(mén)渦街的振動(dòng)頻率達(dá)成一致時(shí)，橋面容易產(chǎn)生劇烈共振。
幸運(yùn)的是，虎門(mén)大橋沒(méi)有造成實(shí)質(zhì)性破壞，據(jù)最新消息，橋梁專(zhuān)家仍在進(jìn)一步排查橋梁的安全隱患。
同時(shí)，歷史的印記也在警示著后人——橋梁的安全性始終是第一位。
參考資料：
【1】https://baike.baidu.com/item/%E8%99%8E%E9%97%A8%E5%A4%A7%E6%A1%A5/3535629?fr=aladdin
【2】http://www.xinhuanet.com/local/2020-05/06/c_1125945306.htm
【3】https://baike.baidu.com/item/%E6%B6%A1%E6%BF%80%E6%8C%AF%E5%8A%A8/4461393?fromtitle=%E6%A1%A5%E6%A2%81%E6%B6%A1%E6%8C%AF&fromid=49999235&fr=aladdin
【4】http://www.ccdi.gov.cn/yaowen/202005/t20200506_216749.html
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