大震動時出現波浪是怎麼回事

相信不少條友都刷發到了“虎門大橋出現強烈振動”這則新聞，5月5日下午14時許，虎門大橋懸索橋橋面發生明顯振動，橋面振幅過大影響行車舒適性和交通安全，大橋管理部門啟動應急預案，聯合交警部門及時採取了雙向交通管制措施。據瞭解，橋樑主體結構未受損，原因是渦振造成的橋樑振動。

渦振到底是什麼？又是怎樣使虎門大橋產生波浪式振動的？我們今天就來了解一下。

什麼是渦振

從流體的角度來分析，任何非流線型物體，在一定的恆定流速下，都會在物體兩側交替地產生脫離結構物表面的旋渦。相似的有卡門渦街效應。

卡門渦街原理圖

比如在水流中插一根木樁，在特定條件下木樁下游的兩側，會產生兩道非對稱排列的旋渦。這兩排旋渦旋轉方向相反，相互交錯排列，就像街道兩邊的街燈一樣。

從太空俯瞰智利海岸的卡門渦街

卡門渦街是有規律的週期性現象，也就是說漩渦的形成和側向力的作用，是具有一定頻率的。

下面我們來聽聽，

東莞理工學院校長馬宏偉更專業的解答：

影片為馬宏偉校長2018年秋季學期在《工程力學》課程中為機械工程類專業二年級學生授課，向學生科普了大橋抖動這一現象專業術語“卡門渦街”。

虎門大橋振動原因詳解

廣東省交通集團通報稱，5月5日下午14時許，虎門大橋懸索橋橋面發生明顯振動，橋面振幅過大影響行車舒適性和交通安全。廣東省交通運輸廳、省交通集團連夜組織國內12位知名橋樑專家召開專題影片會議，對虎門大橋橋面振動現象進行了研判。

專家組初步判斷，

虎門大橋懸索橋本次振動主要原因是，由於沿橋跨邊護欄連續設定水馬，改變了鋼箱梁的氣動外形，在特定風環境條件下，產生的橋樑渦振現象

。大跨徑懸索橋在較低風速下存在渦振現象，振動幅度較小不易察覺，

僅在特殊條件下會產生較大振幅，不影響橋樑結構安全，會影響行車體驗感、舒適性，易誘發交通安全事故

。

橋樑風工程研究專家葛耀君解釋道：當前虎門大橋正在修吊杆和主纜，橋樑兩邊為防止車撞放置了臨時擋牆，也就是俗話說的水馬，水馬改變了橋樑外形，原來橋樑結構是非常流線型的，加了（水馬）就變得非常鈍體了，所以容易引起渦振。他估計這次振動幅度為幾公分或者十幾公分，雖然看上去振動很大，但橋樑強度安全性沒有問題。葛耀君表示，橋樑振動會讓人覺得不舒服，車開上去也會有危險，所以要暫停車輛通行。解決辦法就是，加了什麼拿掉什麼，短時間內或還會有振動，因為能量還沒耗散掉。

水馬，一種用於分割路面或形成阻擋的塑制殼體障礙物。

圖為虎門大橋護欄邊的水馬

就是你開車經常能在路上看到的這個物體

水馬實物圖

這次事故中，水馬改變了大橋的共振特性，當一定速度的風吹過，不大不小，剛剛好是風速8m/s，穿過大橋的氣流會週期性地產生兩串平行的反向旋渦，連續性的旋渦會對被繞的橋樑產生週期性浸染力，這種浸染力和大橋震動的頻率接近時，就會產生共振。

共振越強，大橋擺動扭曲的幅度便會越大，好在共振不強，及時拆卸了水馬，沒有釀成橋毀人亡的事故。

根據現有掌握的資料和觀測到的現象分析，虎門大橋懸索橋結構安全可靠，此次振動也不會影響虎門大橋懸索橋後續使用的結構安全和耐久性。

但這也在一定程度上暴露出了我們在橋樑養護過程中，缺乏足夠的專業人員指導，忽視了橋樑的特性。

歷史上的事故

橋樑的共振，專業名詞叫“機械共振”——每個物體都有一個特別的固有頻率，當外界作用給這個物體的頻率恰好等於這個固有頻率時，物體就會產生超出平常的位移，形成共振。

重量只可能壓垮橋樑，不可能導致橋樑共振。如：去年的無錫高架橋坍塌事故，就是由於重量壓垮所致，而非共振。

19世紀初，一隊拿破崙計程車兵在法國昂熱市一座大橋邁著正步前進，走到橋中間時，橋樑突然自發地強烈顫動，隨後斷裂坍塌。事後經過調查，士兵的齊步走產生的頻率剛好吻合了大橋的共振頻率，導致了悲劇的發生。

一隊士兵再重，也不至於讓橋樑超重，沒有超重卻垮塌了，因為共振與超重無關，只與頻率有關。

歷史上最為著名的因共振而導致的橋樑倒塌事故當屬美國的塔科馬海峽吊橋事件——它既是現代橋樑建築史上最為標誌性的災難，也成為物理學和工程學的經典研究案例。

1940年11月7日，技術人員在7：30測得風速為38英里/小時，兩小時後增強至42英里/小時，而此時的塔科馬海峽吊橋，橋面波浪形起伏已達1米多。瘋狂的扭動使得路面一側翹起達8。5米，傾斜達到45度。而這一切剛好被正在附近拍攝電影的團隊收入鏡頭當中，留下了珍貴的影像。

最終，承受著大橋重量的吊索接連斷裂，與120多米的大橋主體轟然墜入塔科馬海峽，激起了一大片煙塵。

塔科馬海峽吊橋倒塌後第二天，著名物理學家馮·卡門覺得此事不妥，便用一個塔科馬海峽吊橋模型進行試驗。結果不出他所料，塔科馬海峽吊橋倒塌事件的元兇，正是“卡門渦街”引起的橋樑共振。

在這次事故中，橋兩邊的鋼板就像是水流中的木樁。當風形成的高速漩渦不斷從橋身兩邊脫離時，會對橋身產生一個交替的側向力。

馮·卡門1954年在《空氣動力學的發展》一書中寫道：塔科瑪海峽大橋的毀壞，是由週期性旋渦的共振引起的。設計的人想建造一個較便宜的結構，採用了平鈑來代替桁架作為邊牆。不幸，這些平鈑引起了渦旋的發放，使橋身開始扭轉振動。這一大橋的破壞現象，是振動與渦旋發放發生共振而引起的。

自此以後，土木工程界充分認識到了空氣動力學對橋樑帶來的影響，後面所有的大型橋樑都要在風洞中進行相關共振實驗，以免產生類似事故。

現代橋樑是如何抗震的？

現代的橋樑，為了防止出現共振垮塌，都在設計時增加了阻尼設定，已經杜絕了共振垮塌的可能。

橋樑抗震的兩大方法是隔震和耗能。隔震原理下的延性設計和隔震設計已經被規範收錄採用，而採用耗能原理的各種阻尼器還未在規範中體現，所以我們說說阻尼器。

其實基於耗能原理的減震設計已經被建築規範採用10多年，可以相信阻尼器和阻尼支座在橋樑上一定會有應用空間。

▲粘滯阻尼器

根據流體運動，特別是當流體透過節流孔時會產生粘滯阻力的原理而製成的，是一種與剛度、速度相關型阻尼器。（粘滯阻尼器採用內填矽油的油缸式結構，透過活塞的往復運動帶動內部矽油的流動，進而產生阻尼效果）。

粘滯耗能阻尼器的研發和應用，等於給建築或橋樑裝上了“安全氣囊”。在地震來臨時，阻尼器最大限度吸收和消耗了地震對建築結構的衝擊能量，大大緩解了地震對建築結構造成的衝擊和破壞。

建築結構抗震設計有如下原則：

強柱弱梁：要求同一結點柱端截面受彎承載力總和大於梁端受彎承載力總和；

強剪弱彎：控制截面的抗剪承載力大於抗彎承載力；

強結點弱構件：樑柱結點是保證結構整體性和關鍵部位，要保證結點有足夠的強度和剛性；

建築結構抗震的一般原則同樣適用於橋樑結構。

橋樑上部結構由於受到墩臺、支座等的隔離作用，在地震中直接受慣性力作用而破壞的例項較少，由於下部結構破壞而導致上部結構破壞則是橋樑結構破壞的主要形式，下部結構常見的破壞形式有以下幾種：

墩臺位移使梁體由於預留擱置長度偏小，使得橋跨縱向位移超出支座長度而引起落梁破壞；

支座在地震作用下由於抗剪承載力不足而破壞，導致落梁；

配筋設計不當，承載力不足，引起結點部位破壞；

墩柱失效引起落梁破壞。

小結

虎門大橋是中國第一座大型懸索橋，其主航道跨徑888米，被譽為“中國第一跨”，橋樑結構與鸚鵡洲長江大橋相似。虎門大橋作為粵港澳大灣區關鍵通道，通車23年來，為粵港澳大灣區各城市互聯互通和經濟繁榮發展發揮了重要作用。

現在我們知道了，橋樑振動是因為“卡門渦街”現象，原因是橋的兩邊放置了水馬，和豆腐渣工程沒有任何關係。

虎門大橋1992年開始建設，1997年5月通車，已經安全服務超過20年，歷經考驗，質量絕對過關。但此次事故之後仍然需要進行檢測，以除後患。

我們從廣東海事局瞭解到，廣東省交通運輸廳兩次召開虎門大橋懸索橋振動專家諮詢會，專家組認為此次振動不會影響虎門大橋懸索橋結構安全執行。

廣東海事局報請上級部門核准，於5月7日16：30開始，虎門大橋通航水域恢復通航。 檢測人員在虎門大橋現場加緊檢測，專家正在會商，具體大橋通車時間待定。

著名橋樑專家錢學新

曾說過：“

橋上人命關天，一顆鉚釘都不能馬虎。

”如今我國無論從財力、物力和人力都今非昔比，各種技術突飛猛進。然而再先進的裝置、再好的技術都是由人來操作和控制的，沒有負責的建設者，就不會有真正的百年工程、民心工程，質量和安全永遠應該是一座“堅強”建築的根本保證。

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