涡振虎门大桥的“涡振”是什么？风速更大后会发生什么？
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？
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 。
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 。
本文插图
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 。
本文插图
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 。
推荐阅读
- 台儿庄区：期待！台儿庄区这座运河大桥主桥墩开钻
- 「杭州湾」杭州湾跨海大桥，使得杭州、宁波和嘉兴构造“三角美”！
- 『相思』平南相思洲大桥又创“广西第一”，重500吨首榀箱梁完成吊装
- 大千百态详解虎门大桥监测系统：传感器与物联网功不可没
- 衡山▲如何让有点“飘”的虎门大桥“定”下来？
- 「价值之处」江苏将开通的一座长江大桥，是独柱钢塔斜拉跨江大桥，全长2100米
- 白石桥被虎门大桥“抖”怕了吗？珠海也有座6500吨的悬索桥
- 「会随着当地」浙江过路费很贵的一座跨海大桥，一类车要80元，最高要320元
- 风云之声引发虎门大桥振动的“卡门涡街”的启示
- 大桥强震动监测系统显示：虎门大桥桥箱梁主体结构未受明显影响