人類與風的搏斗：虎門大橋異常振動原因何在？

5月5日下午兩點多，廣東省虎門大橋發(fā)生明顯振動，專家分析認為，振動由風引起，不會影響橋梁結(jié)構(gòu)安全，只是影響行車體驗感和舒適性。有關(guān)單位正在對大橋進行全面檢測，計劃盡早開放交通。

5月5日14時許，虎門大橋懸索橋橋面發(fā)生明顯振動 | 新聞截圖

作者 | 李瑞 [日]大阪大學 建筑工程研究科

審稿 | 荊博 中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心

編輯 | 張昊 責編 | 高佩雯

近日，虎門大橋異常振動的新聞引發(fā)了全國性的關(guān)注。在新聞報道畫面中，這座大型懸索橋的晃動幅度相當大，根據(jù)專家組初步判斷，這次振動是由風引起，“特定風環(huán)境，引發(fā)了橋梁渦振現(xiàn)象”。

這讓不少人聯(lián)想起曾經(jīng)發(fā)生過的幾起大型橋梁坍塌事故，不僅擔心起它的命運來。

什么是懸索橋，它為什么風敏感？橋梁史上風造成的重大災害給了人類哪些啟示？渦振是如何產(chǎn)生的？我們需要為虎門大橋的命運感到擔憂嗎？想要回答這一系列問題，我們還得從懸索橋的特點說起。

柔而不軟的懸索橋

虎門大橋是一座橫跨珠江的大型懸索橋，主跨長度為888米，在世界橋梁大小排名中處于50-55名的范圍之內(nèi)。

我們通常用主跨（橋塔間距）長度來比較大型橋梁之間的大小，主跨長度直接關(guān)系到橋梁的設(shè)計和建造難度。大型橋梁比較常見的結(jié)構(gòu)形式有懸索橋和斜拉橋兩種，但若按照主跨長度進行排列，世界前50長大橋中，斜拉橋僅僅占據(jù)其中5座，其余均為懸索橋。

懸索橋的優(yōu)勢非常明顯：迄今為止，懸索橋是世界上跨越能力最大的橋梁形式，工程造價方面較經(jīng)濟；橋面下可以有比較高的通行空間；建造時無需在橋中間部設(shè)置臨時橋墩；對變形具有一定的適應(yīng)能力，適合地質(zhì)構(gòu)造復雜的地區(qū)。因此，懸索橋在跨越海峽兩岸的建造環(huán)境下是非常經(jīng)濟合理的選擇。

不過，懸索橋也有如下的不足之處：首先，懸索橋具有剛度小、柔性大和阻尼小等特點，橋梁結(jié)構(gòu)對風作用的敏感性強，因此在大風情況下需要暫時中斷交通。這絕非橋梁本身存在質(zhì)量問題，而是晃動起伏的橋面可能對行車安全構(gòu)成一定的影響。基于同樣的原因，懸索橋不宜作為重型鐵路橋梁。另外，懸架橋的載荷集中在兩座塔架上，對于塔架所處地面的土質(zhì)要求很高，較軟土質(zhì)上的塔架地基將會非常龐大且昂貴。

虎門大橋 | Wiki Common

歷史上曾經(jīng)有兩次著名橋梁事故，讓人們對橋梁的“風敏感”有了認識。

（1）泰橋事故——風力靜載荷掀翻大橋

1878年，英國蘇格蘭泰灣上一座跨海鐵路橋拔地而起。這座3.5公里長的大橋被命名為泰橋，采用桁架結(jié)構(gòu)，是當時世界上最長的橋梁。然而，這座曾讓英國人驕傲的大橋壽命卻只有不到兩年。1979年12月28日，泰橋在一場狂風中坍塌。當時的風速達到了30米每秒以上，正在過橋的列車隨著橋面桁架一同墜海。該事件造成了75人死亡的重大慘劇。

負責該橋建設(shè)的是英國當時著名的橋梁工程師，托馬斯?鮑什爵士。事后展開的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，他曾經(jīng)對55米長的桁架大梁進行過風力載荷評估，結(jié)論是無需顧慮風力影響。之后設(shè)計方案發(fā)生了變更，大梁長度調(diào)整為了75米，但他并未及時進行風力載荷評估，反而自信的認為風力對現(xiàn)有的設(shè)計不會構(gòu)成影響。

事故發(fā)生之后，調(diào)查委員會給出的一系列結(jié)論都認為風力載荷瞬間失穩(wěn)至少是關(guān)鍵誘因之一。這場事故不止讓鮑什爵士奮斗半生的名譽蒙羞，也讓他失去了自己的女婿——后者當時恰好在失事列車上。

第一代泰橋建成時的風貌 | 公有領(lǐng)域

（2）塔科馬大橋事故——人類初識風力動載荷

泰橋事故讓人類開始認識到風力給大橋造成的嚴重威脅，此后風力載荷評估一直是大橋建設(shè)過程中的基礎(chǔ)工作之一。然而，此時的人類尚沒有意識到同樣是風的力量，較弱風在特定條件下同樣可能讓大橋面臨重大災難。

時間過去了半個世紀，1940年3月9日，塔科馬大橋在美國華盛頓州西北部海灣建成通車。塔科馬大橋是一座與虎門大橋同類型的懸索橋，主跨長度達到了853米，但橋身卻只有雙向兩個車道和步行過道，加起來寬度只有11.9米。

橋梁建設(shè)過程中以及通車后，有很多建設(shè)者和路人都注意到該橋的振動幅度非常大，以至于很多人慕名開車前來就為了體驗一把在橋面上顛簸的感覺。當局在隨后幾個月內(nèi)想了很多辦法以解決該問題，然而各種對策始終沒有什么明確的效果。

1940年（建成當年）11月7日，風速達到了19米每秒，橋面的振動異常激烈。負責大橋風洞模型實驗的華盛頓大學福克森博士和他的團隊接報后趕往現(xiàn)場，用16毫米膠片拍下了大橋從振動失穩(wěn)到最終坍塌的一系列珍貴視頻。

從遺留的視頻中，工程師們發(fā)現(xiàn)，大橋的振動模式先是橋面整體呈現(xiàn)正弦波形態(tài)，共有5個波峰4個波谷，周期為一分鐘36次。這種振動持續(xù)了將近一小時后，忽然轉(zhuǎn)變?yōu)橐詷蛎嬷行臑閷ΨQ軸，兩側(cè)各自沿著道路中心線的扭轉(zhuǎn)，周期為一分鐘14次。扭轉(zhuǎn)在短時間內(nèi)給橋梁的承重部件造成了極為嚴重的毀損，最終，大橋很快從波動幅度最大的四分之一橋面處發(fā)生斷裂，墜入大海。

第一代塔科馬大橋墜海前的扭轉(zhuǎn) | 公有領(lǐng)域

第一代塔克馬大橋墜海瞬間 | 公有領(lǐng)域

塔科馬大橋的墜海視頻時至今日仍然在網(wǎng)上流傳。當時的人們所不理解的是，為什么在遠遠低于設(shè)計風速載荷的情況下，大橋會發(fā)生如此強烈的振動，直到完全失控坍塌？

以今天的眼光來看，如果說泰橋事故是因為人類缺少對自然的敬畏，那么塔科馬大橋事故則是因為人類缺乏對自然規(guī)律的徹底了解。

揭開渦振謎團

塔科馬大橋事故后，華盛頓州長于第二天便宣布，大橋設(shè)計合理，重建工作將馬上開展。但很多業(yè)內(nèi)人士對此強烈反對，他們認為在事故原因查明之前絕不能貿(mào)然重建。其中就有知名的流體動力學家，西奧多?馮?卡門。

據(jù)說他找到一個大橋的設(shè)計模型，然后放置在書桌上，用電扇向其吹風。當電扇風力達到某個“恰好”的范圍內(nèi)時，模型開始振動，并在風力作用下逐漸產(chǎn)生強烈的共振?？ㄩT教授立刻意識到風力作用下的共振可能是大橋坍塌的主要原因。他一邊組織團隊在加州理工進行實驗，一邊聯(lián)系州長，告知他如果貿(mào)然重建大橋定會重蹈覆轍。

最終，政府在輿論壓力下成立了事故調(diào)查組，卡門教授也位列其中。他利用自己在流體動力學方面的深厚造詣，向建造方說明了風力造成大橋共振的可能機理，并要求建造方提出的新方案必須經(jīng)過風洞測試才能考慮開工建造。

重建的兩座塔科馬大橋 | Cacophony

重建之后的塔科馬大橋一直通車到現(xiàn)在，新設(shè)計解決了共振問題，被當?shù)鼐用穹Q為“強健的格蒂”。而風力和橋梁間可能發(fā)生的共振，也已經(jīng)成為了生活常識之一。

那么，話說回來，這種共振到底是如何形成的呢？

經(jīng)過上面兩個事故的“教育”，我們已經(jīng)知道，風力對橋梁的影響，主要是兩種類型，一種是所謂的靜載荷（靜風力），另一種是動載荷。

靜載荷針對泰橋事故中類似的情形，主要是風力在橋梁上受到抵抗后，在橋梁構(gòu)件上形成的側(cè)向載荷。說是靜載荷，但實際上風的形態(tài)是不斷運動變化的，“靜”的含義是指作用在某個結(jié)構(gòu)上一段時間內(nèi)的平均風力載荷。

動載荷針對塔科馬大橋事故中類似的情形，主要是風力與橋梁結(jié)構(gòu)間的共振作用導致的動態(tài)載荷。動載荷有很多具體種類，但其中起到最主要作用的就是此次在虎門大橋新聞中所提到的渦振。

風作為流體通過橋梁構(gòu)件時，必然會從橋的兩側(cè)流過。在一定條件下，兩側(cè)的空氣將形成一系列交錯排列的氣旋，這就是所謂的“卡門渦街”現(xiàn)象。其中的“街”是指流體漩渦的排列形態(tài)和街燈相似，因此看起來好像是一條渦流作為路燈的街道一般。

渦流會向其經(jīng)過的流體施加側(cè)向力，這種作用會給大橋構(gòu)件帶來周期變化的作用力。這里要注意風本身并不存在周期性，而是風吹過后的渦流自然形成的周期作用力。當來自渦流的周期振蕩和橋面本身的撓曲振蕩（橋面自身的上下振蕩）發(fā)生頻率重合，就會形成威力強大的共振。這就是所謂的“渦振”。

“卡門渦街”現(xiàn)象動圖 | Cesareo de La Rosa Siqueira

了解了渦振的原理，我們再回答塔科馬大橋的案例。大橋原先的設(shè)計團隊很好地考慮了靜載荷對大橋的影響，據(jù)稱它耐瞬間風速的強度達到了60米每秒以上。但由于受到當時的認知水平限制，在設(shè)計和建造上盲目節(jié)約成本，導致出現(xiàn)了一系列容易引發(fā)渦振的橋體形態(tài)或者結(jié)構(gòu)。并且，由于對風力作用下橋梁振動的認識不足，也沒有設(shè)置有效的制振組件，再加上當?shù)靥厥獾奶鞖鈼l件，最終鑄成災難。

既然渦振可能會對大橋造成如此大的損害，人們又如何避免渦振的產(chǎn)生呢？

鑒于渦振的危險性，目前的大橋設(shè)計過程中，風洞試驗是非常關(guān)鍵的一步，它可以在結(jié)合當?shù)貧庀髼l件的情況下，對設(shè)計方案是否容易引發(fā)共振加以判斷。不過，無論多么精巧的設(shè)計都不可能完全避免渦振產(chǎn)生的可能性，所以，人們想到了一系列方法來讓渦振的強度盡可能地衰減。

抑制渦振強度的方式大致可以分為兩種類型，一種是空氣力學方式，一種是構(gòu)造力學方式。它們的作用對象分別是渦流和渦流產(chǎn)生的振動。

空氣力學方式的原理非常簡單，既然在某些部位可能產(chǎn)生渦流，那么在這些地方設(shè)置導流板，阻流板等結(jié)構(gòu)，就可以對氣流的流向進行有效的控制，從而減弱或者消除渦流造成的周期力。

明石海峽大橋下方的阻風板 | 本州四國連絡(luò)橋公団

構(gòu)造力學方式以振動為主要的消除對象，它有很多種具體的實現(xiàn)形式，其中技術(shù)含量較高的是利用制振裝置來抑制振動。這類裝置依據(jù)的原理是產(chǎn)生與橋梁振動方向相反的振動，從而在整體上抵消振動的振幅。類似裝置在高層建筑防震等領(lǐng)域也有大量的應(yīng)用實例。

動圖，制振裝置（上方黃框內(nèi)）效果對比 | 作者自制

當然，上述這些構(gòu)造或者裝置的有效性同樣要先通過風洞試驗的評估。

目前世界上最長的懸索橋是日本明石海峽大橋，它的主跨長度達到了1991米，是虎門大橋的兩倍還多。這座大橋建設(shè)初期，施工方按照1比100的比例制作了長度約為40米的風洞模型，橋梁結(jié)構(gòu)可能面臨的渦振風險和制振措施的有效性得到了詳細的評估。然而，即便如此，在風力強勁晃動明顯的天氣，這所大橋同樣會被暫時關(guān)閉。

世界第一大懸索橋——日本明石海峽大橋 | 作者拍攝

我國的虎門大橋，在強風一類惡劣天氣下，當然也會暫時停止通行。

虎門大橋目前情況如何？

這次造成虎門大橋橋面起伏的風其實并沒有多大，不會影響橋梁結(jié)構(gòu)安全，只是會影響行車體驗感和舒適性，易誘發(fā)交通安全事故。所以大橋管理部門啟動應(yīng)急預案，聯(lián)合交警部門及時采取了雙向交通管制措施。

根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)和觀測到的現(xiàn)象分析，虎門大橋懸索橋結(jié)構(gòu)安全可靠，此次振動也不會影響虎門大橋懸索橋后續(xù)使用的結(jié)構(gòu)安全和耐久性。目前，橋面也基本恢復常態(tài)，有關(guān)單位正在對大橋進行全面檢查檢測，計劃盡早開放交通。

我國現(xiàn)代化懸索橋的起步很晚，1995年12月建成汕頭海灣大橋，才拉開了我國建設(shè)現(xiàn)代懸索橋的序幕。虎門大橋于1992年動工建設(shè)，1997年建成通車，作為標桿性的工程，當時由西南交通大學和同濟大學共同進行的風洞試驗結(jié)果表明，大橋的梭形風嘴扁平形鋼梁，有著良好的空氣動力學性能。

不過，我國的《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》經(jīng)過數(shù)次改版，20多年間對于橋梁抗風的認識還在不斷加深，所以虎門大橋成為第一個安裝了橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的大橋。

盡管通過了風洞測試，但其中試驗模擬的風荷載畢竟與實際的風荷載有所不同，橋梁投入使用后能否抵抗實際的風荷載還是需要時間的檢驗?；㈤T大橋的震顫設(shè)計風速大于超級臺風，也經(jīng)受住多次臺風的洗禮，足以說明設(shè)計強度是符合要求的。

這次振動事件，新聞報道是因為橋梁近期維修，橋梁兩側(cè)連續(xù)放置水馬（內(nèi)部注水的大水桶，用來作為防護隔離帶），影響了護欄的通透性，在特定風環(huán)境條件下，產(chǎn)生了渦振現(xiàn)象，導致梁體振動。

從現(xiàn)場的畫面來看，虎門大橋的振動頻率較高，振幅不大，這些都是渦振的典型特點。5月6日晚10時，南方日報發(fā)布消息稱水馬已完全撤除，振動趨于平息，也證明了之前的推測。但大橋恢復靜止要等到應(yīng)力能量完全釋放，需要時間和風場改變，這也是后來在放倒水馬后的晚間仍有一段時間振動存在的原因。

目前來看，虎門大橋的渦振并沒有到影響橋梁壽命或者結(jié)構(gòu)安全性的程度，無需對大橋的命運做過分的擔心。但長期渦振會影響結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力，虎門大橋的異常振動持續(xù)了數(shù)個小時，在梁端豎向支架，抗風支座和伸縮縫等關(guān)鍵位置是否發(fā)生損傷仍需進行檢驗。這也是廣東省委技術(shù)會上提出的要全面檢查，確認振動原因，經(jīng)過充分論證后再通車的原因。此外，通車后還要加強監(jiān)測，為正在實施的維修提供依據(jù)。

風力與橋梁間的復雜作用曾經(jīng)給人類帶來過重大損失，無論是政府職能部門還是橋梁的建造和運維技術(shù)單位，都面臨著很多技術(shù)上和管理上的挑戰(zhàn)。但無論何時，把人民的生命財產(chǎn)放在第一位，都是我們決策考量的首要因素。

文章由“科學辟謠平臺”（ID：Science_Facts）公眾號發(fā)布，轉(zhuǎn)載請注明出處