《力学园地》编辑部：

今年5月初,广州的虎门大桥发生了异常抖动，据说是一种桥梁涡振现象。能给我们从力学角度做一点更细致的说明吗？

一名宅家的大学生

2020年6月25日

5月5日15时32分左右，广东虎门大桥发生了异常抖动。在呼啸的风声中，大桥桥面出现轻微起伏的波浪。根据专家组判断，虎门大桥这次振动的原因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，在特定风环境条件下，产生了桥梁涡振现象。下面的动图中，右下方那一排红色物体就是所谓的“水马”。

图1 虎门大桥涡振

那么，为什么涡振能够导致大桥抖动呢？

1、什么是涡振？

    涡振的全称是涡激振动，指的是气流在绕过钝体结构时，会发生周期性的旋涡脱落，产生交替变化的涡激力，作用在结构上使之发生弹性振动。这个旋涡脱落的频率会随着风速而变化，也和结构的形状有关。当脱落频率接近结构自有频率时，旋涡脱落和结构振动互相锁定，就形成了共振现象。

    要想更好地理解涡振现象，首先要搞清楚这里面涉及到的两个重要物理概念，一个叫做卡门涡街，一个叫做共振。

    1）卡门涡街

卡门涡街是指在一定条件下的定常来流绕过钝体时，钝体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列旋涡。发现这个现象的德国科学家叫冯·卡门。他后来去了美国，是著名的空气动力学家，还是我国火箭之父钱学森的老师。

图2 卡门涡街

 2） 共振

共振是指物体在特定频率下，相比其他频率以更大的振幅做振动的情形，这个特定频率称之为共振频率。当共振幅度足够大时会使结构物受到损伤。

    所以，虎门大桥就是因为当天出现的特定风环境，在桥的箱体主梁下游方形成了卡门涡街，这个涡街的振动频率刚好跟桥本身的自有频率接近，产生了涡振现象。所以，桥就随风振动起来了。

2、为什么是水马背锅？

水马是一种用于分割路面或形成阻挡的塑制壳体障碍物，通常是上小下大的结构，上方有孔以注水增重，故称水马。在道路日常维修中常常用到它。

据报道，虎门大桥公司当时正对虎门大桥高速广珠段悬索桥钢箱梁进行检测、维修，期间将对第三车道和紧急停车带进行封闭作业，所以放置了很多水马。但是，水马并不高大，为什么会引起这么强的振动呢？

上面我们提到，结构涡振是因为卡门涡街导致的。空气动力学知识告诉我们，涡街的频率依赖于钝体的截面形状，而且对于钝体表面的突起物十分敏感。当桥面上放置了水马以后，钢箱梁截面的空气动力性态发生了改变，更容易形成涡街，而且涡街的脱落频率也发生了改变，刚好与大桥的自有频率接近，于是就发生了共振。

其实在桥梁建设的时候，为了减小涡振现象的出现，人们有时会选用桁架结构，这样侧风吹过后，形成的旋涡频率不一致，就不会引起共振现象的出现。如果是采用整体箱梁结构，桥梁设计者也会仔细考虑截面形状，包括布局流线型结构，而且设计之后、建设之前都会在风洞中完成桥梁的吹风试验，目的也是为了尽量避免涡振现象。

3、大桥抖动是个例吗？

    其实大桥在特定环境风速下的振动，只要在设计范围内都是安全和正常的。比如，今年4月26日，武汉鹦鹉洲长江大桥也曾因为环境风扰动，使桥体产生了一定的晃动。这种晃动在专业评测单位鉴定后，确认是在被允许的设计范围之内，所以不会有安全隐患。

此外，国外也出现过大桥涡振事件。例如，2010年5月19日晚，俄罗斯莫斯科的伏尔加河大桥就发生涡振现象，整个桥体摆动剧烈，呈波浪形翻滚，还出现了较为明显的左右晃动。但是，当大桥停止振动后，专家对桥梁进行了全面检查，发现桥梁无裂纹、无损伤。又如，日本东京湾通道桥也发生过类似的振动，当时主桥在16~17m/s的风速下发生了竖向涡振现象，跨中振幅达到50cm。

4、大风真的能吹垮大桥吗？

    美国著名的塔科马大桥垮塌事件，就是风致桥梁破坏的例子。

塔科马海峡大桥是当时世界第三长吊桥。大桥建成后，只要有4英里/小时的“小风”吹过，桥梁就会有轻微的上下起伏，工程师们一直纳闷不已。在大桥建成后4个月的一次8级风作用下，大桥在风中疯狂扭动，倾斜程度可达45度，随后，这座可怜的大桥轰然倒塌，沉入海峡之中。

图3 塔科马大桥垮塌

图4 塔科马大桥垮塌

自此之后，土木工程界认识到了空气动力学效应对桥梁安全的影响，规定所有的大型桥梁都要进行抗共振能力检测。后来，人们对塔科马海峡大桥进行了重建，道床厚度增至10米，并在路面上加入气孔，使空气可在路面上穿越，防止卡门涡街的产生。目前，它是全美国第五长的悬索桥。

但是这里要指出的是，塔科马大桥倒塌的原因是颤振。颤振是风速较高时发生的发散性自激振动，对桥梁安全的威胁巨大。在塔科马大桥事件后，全世界的桥梁工程师在设计时都会注意确保不发生颤振。怎样能做到这点呢？原来，科学家已经研究清楚了：桥梁发生颤振有一个临界风速，当风速低于此临界值时不会发生破坏性的颤振现象。虎门大桥的颤振临界风速为79m/s，它相当于18级大风。显然，这样大的风速在实际生活中是不会出现的。

    最后还需说明的是，虎门大桥遇到的涡振现象虽然不会像颤振那样引起桥梁毁灭性的破坏，但频繁持续的振动可能会引起相关结构的疲劳损伤，同时造成行人和车辆的不适，所以避免涡振也是桥梁抗风设计的重点之一。