虎门大桥的“涡振”是什么？风速更大后会发生什么
涨知识｜虎门大桥的“涡振”是什么？风速更大后会发生什么？澎湃新闻虎门大桥桥面5月5日出现肉眼可见的“上下起伏” ， 引发广泛关注 。 不久前 ， 武汉鹦鹉洲大桥也经历了类似的晃动 。事发时 ， 珠江口狮子洋上的风速大约为8m/s ， 并不算很大 ， 而武汉当地居民更用“风和日丽”来形容鹦鹉洲的天气 。 为什么虎门大桥经历过多次台风考验、前面正面挺过超强台风“山竹” ， 却会被和风剧烈影响？
虎门大桥桥面异常抖动经过专家组初步判断 ， 沿桥跨边护栏连续设置水马 ， 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 。
虎门大桥桥面异常抖动涡振背后是一种“卡门涡街效应” ， 由钱学森、郭永怀、钱伟长等人的老师、美籍匈牙利裔流体力学大师冯·卡门发现 ， 用于描述空气等流体通过物体后出现涡旋脱落 。 这些漩涡脱落的频率会桥梁的固有频率形成共振 。桥梁涡振的一大特点是“限幅” ， 也就是随着风力的增加 ， 振动也只会限制在一个锁定的区间内 ， 不会像塔科马大桥颤振一样越演越烈 ， 短期内相对安全可控 ， 长期需保持监测 。
流体力学大师冯·卡门广东省交通集团通报称 ， 根据现有掌握的数据和观测到的现象分析 ， 虎门大桥悬索桥结构安全可靠 ， 此次振动也不会影响虎门大桥悬索桥后续使用的结构安全和耐久性 。什么是“涡振”？世界上没有绝对的刚体 ， 看似坚不可摧的钢筋混凝土大桥 ， 同样会产生形变和振动 。 著名的案例是当军队整齐划一地跨过桥梁 ， 齐步频率恰好与桥梁的固有频率形成“共鸣”时 ， 就可能引发剧烈振动 ， 乃至塌陷 。风有时会产生同样强大的威力 ， 悬索桥尤其易受影响 。 风激发的振动包括多种 ， 这里主要介绍涡振和颤振 。涡振 ， 全称涡激振动（vortex induced vibration ， VIV） ， 起因是风流过物体截面后 ， 在物体背后产生周期性的漩涡脱落 ， 由此产生对结构的周期性强迫力 。
涡旋我们可以想象“抽刀断水水更流” ， 水先是拐了弯 ， 从刀面两端继续流过 ， 随后形成复杂的漩涡结构 。这种涡旋结构的频率主要与两个因素有关 ， 一是风速 ， 而是截面的形状尺寸 ， 因此 ， 在设计建造桥梁的数学模拟和风洞试验中 ， 工程师们通常已经做好了充分的安全考虑 ， 通过截面设计来破坏涡旋的脱落 。在综合了哈尔滨工业大学深圳校区柳成荫、肖仪清和顾磊等老师意见后 ， 专家分析认为 ， 虎门大桥正在维修施工中 ， 桥面加了1.2米高的水马挡墙 ， 从而破坏了断面流线型引发涡振 。为什么振幅有限？8m/s的风速已经引发肉眼可见的振动 ， 也有些人担心 ， 如果风速更大 ， 会否酿成像美国塔科马海峡大桥那样的悲剧？1940年 ， 通车仅4个月的塔科马海峡大桥曾在18m/s每秒的风速下剧烈“舞动” ， 最终塌陷 ， 成为桥梁抗风研究史上的关键事件 。专家组分析得出了“有限振幅”的结论 ， 这也是桥梁涡振的一大特点 。原来 ， 当旋涡脱落频率接近桥梁的固有频率 ， 也会产生齐步走和桥梁那样的相互作用 ， 在一定风速范围内产生一种“锁定”现象 ， 空气带来的正阻尼力阻止结构振动继续扩大 。在锁定区域内 ， 随着风速提高 ， 结构仍然按固有频率振动 ， 促使漩涡倾向于继续按此频率脱落 。 只有当风速进一步提高 ， 空气阻尼进一步增大 ， 结构的振动不足以继续维持原有的漩涡脱落频率 ， 结构振动才会与旋涡脱落解锁 ， 离开共振状态 。因此 ， 涡振是一种限幅振动 ， 不能无限发散 。 而且 ， 因为长跨度桥梁的固有频率往往较低 ， 涡振通常也只会在风速不大的情况下发生 。
涡激振动广东省交通集团通报称 ， 大跨径悬索桥在较低风速下存在涡振现象 ， 振动幅度较小不易察觉 ， 仅在特殊条件下会产生较大振幅 ， 不影响桥梁结构安全 ， 会影响行车体验感、舒适性 ， 易诱发交通安全事故 。不过 ， 桥梁涡激的有限振幅到底是多少 ， 目前国内外还没有形成一套比较完整的分析理论 。 学术界也仅对圆柱等少数形状经过反复实验后形成较为精确的公式 。 在实际设计建造桥梁时 ， 采用一种半理论半实验的方法进行近似估算 。而美国塔科马海峡大桥的致命原因并非涡振 ， 而是颤振 。 颤振是长的条带状结构在横向气流作用下发生的大幅振动 ， 并且具有以扭转振动为主的特征 ， 最早在飞机机翼的失速上引起人们的注意 。颤振是一种典型的气流与结构振动强烈耦合的效应 。 即气流导致结构振动 ， 结构振动反过来又导致气动力增强 ， 于是振动更加剧烈 ， 最终导致振动发散结构毁坏 。 可以理解为 ， 涡振中气流和结构相互制衡 ， 形成锁定 ， 而颤振则是互为借力 ， 越演越烈 。虎门大桥动工建设时间是1992年 ， 是中国第一座真正意义上的大规模现代化悬索桥 。 经过半个世纪多的技术发展 ， 加上广东是台风多发地区 ， 像塔科马大桥这样致命的“颤振”问题早已在设计之初就被重点排除 。长期监测因此 ， 短期内桥梁涡振并不影响结构安全 ， 长期上应注意对主梁支座和主缆、吊索的疲劳损伤检测监测 。现代桥梁往往有一套软硬件结合的系统 ， 对桥梁的裂缝、航道、车流量、大桥的环境温度、振动情况、移位情况等进行实时监测预警 。据《科技日报》报道 ， 虎门大桥确有一套这样的监测系统 ， 通过对桥的连续位移进行实时监测 ， 了解桥梁结构在各种作用下的实际受力状态和工作状况；同时通过分析监测结果得到结构的振动参数 ， 验证结构的抗风、抗震设计 ， 实现对大跨桥梁安全的实时监测 。业内人士透露 ， 建筑的监测系统维护起来并不容易 ， 一般10年左右软硬件都需要更新 ， 有些项目并不一定能及时置换更新 ， 但像虎门大桥这样的重要枢纽监测系统应该会保持良好运转 。截至发稿 ， 虎门大桥管养单位仍在对对大桥进行紧急全面检查检测 ， 同时交通运输部已组建专家工作组到现场指导 ， 虎门大桥将继续封闭双向交通 。
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