虎门大桥为何“随风起舞”？原因竟是这个！

5月5日14时许，

广东虎门大桥悬索桥桥面发生明显抖动，

桥面振幅过大影响行车安全。

5日20时许，

虎门大桥悬索桥再次出现晃动现象。

这不禁让人想起

20世纪40年代发生在美国的

塔科玛峡谷桥风毁事故，

桥面倾斜达到约45度，

使吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而塌毁，

坠落到峡谷之中。

人们在调查这一事故收集历史资料时，

发现从1818年到19世纪末，

由风引起的桥梁振动已至少毁坏了11座悬索桥。

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网友纷纷化身探索“小达人”

虎门大桥发生抖动后，相关视频在网络流传。网友纷纷化身探索“小达人”，流体力学、卡门涡街、共振现象……解释着大桥抖动的原因。

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抖动是“水马”惹的祸？

据新华社报道，专家组判断，虎门大桥5日发生振动系桥梁涡振现象，并认为悬索桥结构安全可靠，不会影响虎门大桥后续使用的结构安全和耐久性。

 专家组初步判断，虎门大桥悬索桥本次振动的主要原因是：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，产生了桥梁涡振现象。

虎门大桥“异常”抖动现场。

虎门大桥桥梁专业人员介绍，桥梁遇到特殊风况会晃动是正常的，一般遇到旋涡风桥面晃动比较大。请公众不必过于恐慌，后续会根据检测结果发布相关信息。
 目前，虎门大桥管养单位已紧急开始对大桥进行全面检查检测，大桥继续施行双向封闭。交通运输部已组建专家工作组到现场指导。

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港珠澳大桥“抗风”试验的启示

港珠澳大桥

2012年，中央电视台《走进科学》栏目以题为《#大桥抗风记#》报道了港珠澳大桥模型进行的抗风试验。该实验用模拟的手法对港珠澳大桥是否会产生那种破坏性晃动进行测试，并找到晃动的原因和解决方案。

实验发现，风形成的有节奏漩涡是造成桥梁晃动的原因，要消除风对港珠澳大桥的这种破坏性作用就必须在外形上去掉能形成风漩涡的结构。 在分别对桥梁和桥塔进行试验后，试验者察觉到，桥梁底部背风面的检修车轨道和桥塔的形状是形成风漩涡的元凶。最后，实验人员通过在检修车轨道上加导流板和对桥塔迎风面的小小改造，将风漩涡引开、打散，使其无法形成节奏，从而消解了风的破坏性作用。

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惨痛教训——塔科玛峡谷桥风毁事故

大桥“异常”抖动或晃动的状况时有发生，这是流体力学中重要的现象“卡门涡街”。

塔科马海峡吊桥垮塌

1940年，美国的塔科马大桥因大风造成桥身强烈的起伏晃动（“蛇形舞动”），并最终导致了塔科马大桥的断裂，惨痛教训使人们认识到卡门涡街对建筑安全上的重要作用。

1954年，冯·卡门在《空气动力学的发展》一书中写道：塔科玛海峡大桥的毁坏，是由周期性旋涡的共振引起的。设计的人想建造一个较便宜的结构，采用了平钣来代替桁架作为边墙。不幸，这些平钣引起了涡旋的发放，使桥身开始扭转振动。这一大桥的破坏现象，是振动与涡旋发放发生共振而引起的。

20世纪60年代，经过计算和实验，证明了冯·卡门的分析是正确的。塔科玛桥的风毁事故，是一定流速的流体流经边墙时，产生了卡门涡街；卡门涡街后涡的交替发放，会在物体上产生垂直于流动方向的交变侧向力，迫使桥梁产生振动，当发放频率与桥梁结构的固有频率相耦合时，就会发生共振，造成破坏。

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认识“卡门涡街”

    热心网友

大桥的桥面是水平的，风也是水平吹过来的，为什么会发生扭转的摆动？

科技报  

由于在风的作用下产生的卡门涡街，涡作用以后使得桥面周期性出现上下的作用力。

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卡门涡街示意图

卡门涡街是流体力学中重要的现象，在自然界中常可遇到。在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街。如水流过桥墩、风吹过高层楼大厦等情况下，都会形成卡门涡街。

把桥作为一个横断面，风沿着水平方向吹过来，之所以会出现扭转摆动的情况，是因为在桥面的上流线经过的过程中横断面上边产生了一个涡，这个涡离开以后，另一边又产生了一个涡，这些涡上下交替出现，使得桥不断的摆动，并且摆的幅度越来越大，当和桥的共振频率、扭转频率一致时，桥就会出现扭转摆动的情况。这就是著名的卡门涡街。 实际上，卡门涡街并不全是会造成不幸的事故，它也有很成功的应用。比如卡门涡街流量计的应用：可测量液体、气体和蒸汽的流量；结构简单，无运动件，可靠、耐用；具备自动调整功能，能用软件对管线噪声进行自动调整等。

知多D：“卡门涡街”发现人

冯·卡门（Theodore von Kármán）1881年5月11日生于匈牙利布达佩斯1963年5月6日卒于德国亚琛美籍匈牙利力学家近代力学的奠基人之一是钱学森、钱伟长、郭永怀和林家翘的导师他对中国力学事业的发展起了积极的作用

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来源：中科院物理研究所、北京振动工程学会、新华社、央视新闻

编辑丨李婉欣编审丨胡漫雨图源网络，如侵删

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