虎门大桥晃动终于找到成因(虎门大桥发抖20小时)

作者:大脸菌

现代桥梁技术的发展,让人类跨山越海,生活更加便利。在造桥方面,我国的技术一直都处于世界先进水平。从世界最长跨海大桥港珠澳大桥到世界第一高桥中国北盘江大桥,无一不显示着大国工程。

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在这些桥梁当中,很多都属于悬索桥。悬索桥是以主缆为主承力结构、加劲梁通过吊索“吊挂”在主缆上的一种桥型,造型美观、跨越度大。然而正是因为这种大跨度,让悬索桥面临许多空气动力学与空气弹力学上的问题。

近日,虎门大桥的异常抖动让桥梁的这一问题,在网友之间又火了一把。作为我国第一座真正意义上的大型悬索桥,虎门大桥拥有多项国内创新奖,在技术的含金量上绝对毋庸置疑。

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那么,虎门大桥为何发生抖动?这几乎成了每个人关注的问题。官方在通告中指出,本次的抖动很有可能是虎门大桥在检修时,放置的1.2m高挡墙(水马)产生了涡振现象,从而导致了大桥抖动。

什么是涡振现象,这种现象又是如何让桥梁发生抖动的呢?物理学中认为,每个物体都有一个固有的振动频率,当外在振动频率与这个固有频率接近时,就会产生共振。这种共振很有可能摧毁建筑。

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而流体力学中存在一种叫做卡门涡街的现象。流体通过非流线型物体时,会在物体两侧产生旋转方向相反的螺旋。这些螺旋排列规则,会周期性的不断出现,形成卡门涡街。由于卡门涡街效应会产生强烈的共振现象,因此我们将其称为涡激振动(涡振)。

1940年,美国的塔科马海峡大桥就曾发生过坍塌,而造成这一悲剧的原因就是涡激振动。设计之初,塔科马大桥能够抵御60米/秒的风速,然而由于卡门涡街效应的存在,在当时19米/秒的低速风中就开始剧烈扭曲振动,并诱发桥面钢梁折断,坠落于普吉特海湾之中。

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其实,桥梁的桥梁涡振在理论上是不能被消除的,只能通过技术手段减少这种振动的发生。既然改变不了风的频率,因此科学家在建造桥梁时,都会进行严格的风洞实验,并且选择合适的截面设计孔洞以破坏漩涡,减少涡旋带来的威胁。

虎门大桥也不是国内第一例发生抖动的案例了。就在这次事件发生前不久,同为悬索桥的武汉鹦鹉洲长江大桥刚刚发生类似的抖动。但是这也不是这座桥第一次抖动了,早在2017年就有市民反应过大桥的晃动。比这些案例事件更早的2012年,有记者也称看到过杭州湾跨海大桥的晃动。

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有人曾担心,大桥如此小的风速都经受不了,那遇到台风等暴风天气时,如何能抗得住?这就要说到悬索桥主梁风致振动的另一个原因了,它就是颤动。

不同于涡振的是,颤振一般是由高风速引起的,而涡振是低风速均匀风场下产生的。振动的桥梁会从气流中不断地借助能量,增大振动幅度,当达到临界状态时,就会使结构发生发散性振动,导致建筑被破坏,这就是颤振。

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简单来说,涡振和气流之间是相互制衡的,它的振动幅度不会持续增大;而颤振和气流确实互相成全,气流的能量会源源不断地供给到振动幅度上去,直到破坏建筑物。

不过,在桥梁设计时,各国都对此有周密考量,我国的抗风规范更是要求大跨度桥梁在任何情况下都不能出现颤振。但是,由于涡振并不能被消除,因此各国都要求将涡振控制好振动幅度即可。

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尽管相对于斜拉桥、梁桥等桥梁,悬索桥确实看起来弱不禁风,但是它却是一种高超静定结构。只要风力不超过设计允许范围,它的结构安全性完全不用担心。

关于虎门大桥抖动的相关细节原因还在调查当中,包括后来出现的二次抖动原因,我们还是静待官方的回复吧。

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