文/張一

五一假期的最后一天，新聞頭條給了廣東的虎門大橋。從多家媒體報道及現(xiàn)場視頻得知，5.5下午虎門大橋發(fā)生了異常抖動，整段橋面像波浪一樣起起伏伏的在搖晃，現(xiàn)場一度看起來有些驚悚。

而很快，關于大橋異常抖動的原因也出來了。根據(jù)今日凌晨廣東省交通集團通報，專家組初步判斷大橋抖動是因為橋梁在特定風環(huán)境條件下，產生了橋梁渦振現(xiàn)象，并不會影響虎門大橋后續(xù)使用的結構安全和耐久性。

至于發(fā)生橋梁渦振的主要原因則是：沿橋跨邊護欄連續(xù)設置的水馬，改變了鋼箱梁的氣動外形。

“水馬”，其實就是我們日常在道路經常見到東西，如下圖，塑料空心結構，中間注水用來當作臨時路障。而“氣動外形”這個詞聽起來也很像汽車上術語。

 

不過一排小小的水馬竟然能讓一座跨海大橋發(fā)生異常抖動，這還是有點厲害了。而這背后的原理其實和汽車的空氣動力學也是有些相似的。大家都知道，汽車開發(fā)是應用到空氣動力學的，風阻系數(shù)這個詞就是這一體現(xiàn)。

通過汽車的形面設計，使汽車的迎風面積盡量縮小，同時還要注意導流，讓空氣盡量貼著物體表面走，因為當較快的風速遇到凹凸不平的面，很容易產生混亂的渦流，不僅消耗汽車動能，對車身穩(wěn)定性也有影響。

渦流這一點很好理解，如果你有過駕駛經驗，當速度高于50km/h，你打開部分車窗，如果能感受到風伴隨著你的頭發(fā)在臉上胡亂的吹過，那就近似是產生渦流了。當然了，在汽車上，真正通常亂流產生較大的區(qū)域是三廂車的后車窗處。

所以汽車上通常的做法是，盡量減少凹凸面，或者進行導流設計，比如一些前包圍、翼子板、前后擴散器以及加裝底盤護板的做法，在加快空氣流速提高下壓力的同時也是起到防止空氣流動混亂。

不過和汽車不同的是，在大型橋梁或者建筑上，應用空氣動力學主要目的并不是利用風來做什么事情。而是盡量降低風對于建筑的風壓以及空氣動力干擾，也就是盡量讓風“無視”或不影響到自己，這一點對于一些高層建筑及跨海大橋尤為重要。

 

▲日本Tozaki Bridge橋梁上的雙層翼板設計

比如，現(xiàn)如今大型建筑物在建設前都會和汽車或飛機一樣做風洞實驗，而很多橋梁在建設時也會通過設計防撞護欄形式或者設計一個類似汽車上的翼子板一樣的護欄進行導流，從而減低空氣動力干擾。

而此次虎門大橋產生的“橋梁渦振”全稱應該是“橋梁渦激共振”，其意思就是指在平均風作用下，有繞流通過實腹梁橋斷面后交替脫落的渦旋引起的振動。

 

而網上流傳的另一種說法“卡門渦街效應”，其實也是流體力學的一個分支，其提出者則是大名鼎鼎的馮·卡門先生。不過“橋梁渦振”現(xiàn)象和“卡門渦街效應”是類似的，都能解釋這次虎門大橋為什么會發(fā)生異常抖動。

就是當一定的風速吹過虎門大橋時，剛好一排不大不小1.2M高的水馬對氣流產生了影響，使穿過大橋的氣流周期性地產生兩串平行的反向旋渦，繼而連續(xù)性的旋渦會對被繞的橋梁產生周期性作用力，這個力剛好與橋梁的自振接近從而產生共振，繼而又使得橋梁自身的振幅得到放大最終導致了視頻中橋面接近扭曲的效應。

只不過是一陣“微風”配合1.2m高的水馬卻足以撼動15km長的跨海大橋，這也是算是空氣動力學的一次典型應用了。

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