因剧烈晃动而封闭，斥资30亿的广东虎门大桥是豆腐渣工程吗？

虎门大桥何时恢复通车，成为一个谜

5月5日下午，广东虎门大桥悬索桥，桥面出现异常抖动。随后，大桥管理部门立即启动应急预案，联合交警部门采取了双向交通管制措施。 作为首座跨越珠江口东、西两岸的大型桥梁， 虎门大桥正式通车已达23年之久，这是首次因为桥梁安全问题宣布封桥。
▲第一反应让我想到《死神来了》的场景
同样是在修缮时发生问题
1 虎门大桥为何抖动？
在封桥之后，虎门大桥管养单位连夜紧急对大桥进行全面检查检测，经专家组判断，初步得出虎门大桥异常抖动的原因： “由于大桥管养单位需要对虎门大桥的吊杆和主缆进行维修，于是沿桥跨边护栏连续设置水马防止车撞，但钢箱梁的气动外形也随之改变，在特定风环境条件下，产生了桥梁涡振现象。” 看到专家得出的大桥抖动原因，大多数人们表示一脸懵逼，这到底是什么意思呢？
这里主要有两个核心点， 一是水马的摆放改变桥梁结构的气动外形，另一个是特定风环境引起桥梁涡振。 “水马”，指 人们平常用来分割路面的障碍物 ，通常是上小下大的结构，根据需要可以往里面注水增重，故而被称为水马，具有类似功能的无法充水的木质或铁质可移动障碍物被人们称为“拒马”。 ▲水马示意图 从事发当时现场视频图中，我们可以清晰地看到在大桥道路两侧，整齐地摆放了两排长长的红色水马。 ▲事发时，桥梁上摆放的一排水马
钢箱梁， 实际就是指一种桥梁的主体结构形式，由于其比起现浇混凝土梁自重较轻，因此常被应用在大跨径桥梁。 考虑到制造能力和吊装能力，虎门大桥的钢箱梁分为了39个梁段。 ▲钢箱梁示意图

▲虎门大桥主航道 由39段钢箱梁段组成
而 为了减少大桥收到风力的影响，在设计钢箱梁的时候，虎门大桥钢箱梁就采用了扁平流线型钢箱梁的外形，这也就是专家所说的“钢箱梁的气动外形”。 ▲虎门大桥扁平流线型钢箱梁横截面图
尽管 流线型钢箱梁的外形差别较小，但不同的桥梁其抗风能力却可能存在较大差异，桥面两边的栏杆设置便是其中一个重要影响因素。

比如透风率小的栏杆会显著增加涡振振幅，更甚者破坏整个桥梁的流线型外形，极大降低桥梁抗风能力。 而正是这些水马的摆放改变了钢箱梁的流线型外形，使其成为一个“钝体”。 ▲球体是一个典型的钝体

那什么是涡振呢？ 中学物理课上，我们就学习过 每个物体都有其固有频率，振动频率与其本身固有特性有关（如质量、形状、材质等），当物体以接近本身的固有频率振动时，振幅将显著增大。 涡振，又称为涡激振动。 当 气流经过钝体时，会从物体两侧周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列漩涡，形成周期性的正负压力 （类似于上下拍皮球一样），我们将该现象称“卡门涡街”。 ▲卡门涡街现象示意图
气流旋涡形成的周期性压力使得物体产生振动， 如果物体振动频率接近物体的本身固有频率时，便会发生共振，导致物体运动幅度显著增大。 共振对桥梁的危害特别大，曾经有国家的军队在齐刷刷踢正步走过大桥时，因为踢正步发出的共振过大将桥震断的事故。

那么该如何避免桥梁产生涡激共振呢？

实际上，在桥梁建造前， 工程师们一般会利用风洞节段模型实验进行检验，或者采用CFD技术进行检查。

将桥梁选取一段，用8根弹簧悬挂在风洞之中，模拟桥梁的振动频率。通过试验就可以获得涡激共振响应，据此评估桥梁是否具有发生涡激共振的可能性。

▲同济大学风洞实验室
而如果当桥梁已经发生涡振，则可以通过改变气动外形，比如改变风嘴形状、改变检修车轨道位置或者防撞护栏形式等方式。还可以增加TMD（调节质量阻尼器）来控制涡激共振。
但上述方法都需要经过谨慎地试验验证。
▲网友制作的钢箱梁结构图
虎门大桥在拟定桥梁截面形状和各部尺寸前，就曾委托同济大学、西南大学、北京大学进行严密地气动稳定性实验， 桥梁结构本身是没有任何问题的。

在此次的虎门大桥事件中，大桥抖动发生后，管养部门也立即决断将破坏气动外形的水马拆除。

尽管在5月6日凌晨，大桥仍然在异常抖动，专家解释，经过初步监测，涡振并未影响到桥梁结构安全，短时间内的再次振动，是因为能量还没耗散掉。

虽然涡振不会引起结构突然破坏，但持续的振动可能会造成桥梁构件疲劳损伤，因此专家组需要进一步评议虎门大桥安全性问题。 这让虎门大桥什么时候能够恢复通车、甚至是否会恢复通车，成为一个谜。 2 虎门大桥曾是中国建筑傲骨
虎门大桥东起珠江东岸的虎门镇威远山，止于珠江西岸广州市南沙街道南北台，连接珠江东、西两岸。 ▲地图软件上 虎门大桥仍处于封闭状态
清末时期，时任钦差大臣的林则徐在广东虎门集中销毁鸦片，英国以此为借口发动第一次鸦片战争。

而珠江口作为中国鸦片战争古战场，正是英国军队撕裂清朝军事防线入侵中国南大陆的开端， 大桥建址于此，具有独特的历史意义。 ▲ 鸦片战争以清政府 失败 并赔款割地告终
因此，中国方面坚持自主建桥、反对外方主导建设。外方断言中国工程师不可能在珠江口上建造大型桥梁，并限制大跨度悬索桥关键技术。 面对中国大跨径悬索桥的技术空白，以及施工技术标准和设计规范的缺失，中国建筑团队需要解决包括 桥梁设计结构轻型化、抗风稳定性、大型铸件制造、珠江口特殊地理位置 等一系列难题。 但是，中国建筑工程师们顶住压力，从1992年立项动工，到1997年建成通车，中国建筑精英们在 5年时间里 自行设计建造成第一座特大型大跨度钢箱梁悬索桥，而同时期国外同类桥梁的建设时间 至少需要7年 。 ▲ 珠江口地理独特，经常受到台风侵扰 给桥梁建造带来了困难

在虎门大桥建造过程中，中国的建筑工程师们取得多项技术从0到1的突破，至今为人称道。 比如首次开发出一套完整的现代悬索桥结构分析程序，建立系统而完整的悬索桥上部构造施工监测与控制技术；首次在中国桥梁基础中采用地下连续墙防水技术，解决了悬索桥西塔基础岩面严重不平的技术难题… 这一切都为之后的虎门二桥，也就是现在的南沙大桥的建造以及中国桥梁建筑的腾飞打下坚实的基础。 最终建成的虎门大桥主航道跨径888米，这在当时被誉为“中国第一跨”， 标志着中国二十世纪桥梁建筑的最高成就，顶起了中国建筑的傲骨。 ▲虎门大桥俯瞰图
此外，虎门大桥带来的经济效益也是难以估量。 随着中国近代的改革开放，珠三角良好的投资环境，吸引大量的外商投资，同时低廉的劳动力成本使得在劳动、资本密集型的加工工业，在珠三角地区制造企业如雨后春笋般出现。 每天都有大批货柜车奔驰在广州、深圳、东莞之间的公路上，将货物送出去，将材料运进来。 面对珠江两岸日益增长的物流运输需求，1991年，虎门汽车渡口建成通航，渡轮每航次航行约20分钟，日均约400航次。 ▲ 曾经的虎门汽车渡口 2019年5月25日，正式停运
当时珠江两岸的汽车想行驶到对岸，只能依靠轮渡，或者多走上百里路从广州绕行，很快就出现因运力不足问题。 在领导人1992年南方谈话精神鼓励下，虎门大桥正式开工建设的，并于1997年香港回归前夕建成通车。
大桥的建成使东莞、深圳等广州东部地区到珠海、中山江门广州西部地区的交通无须绕道，行车里程缩短一百二十多千米，而且往返时间仅为轮渡的一半。 据统计， 仅到2000年，虎门大桥运营三年累计通行汽车就达到了2320万辆次，在当时极大地缓解了珠江两岸物流压力。 随着珠三角地区经济的进一步发展，虎门大桥通车以来，交通量逐年上升，逐渐难以独力承担交通运输职能。 2016年，虎门大桥日均标准小客车交通量经换算后为14.51万车次，逢重大节假日小型客车免费，交通量更大，汽车阻滞不动时间可超过 2h 以上，更有甚者从天黑堵到黎明，虎门大桥从地标建筑沦为“堵车圣地”。 于是为了再次缓解珠三角地区交通压力，南沙大桥2019年正式投入运营。 3 国外曾发生相同的桥梁垮塌事故
国外曾经发生多次大桥因涡流都原因抖动并垮塌的重大事故。
其中和此次虎门大桥最为相似的当属1940年塔科马海峡吊桥垮塌事件，作为第一座横跨塔科马海峡的悬索桥，在投入运营后的第4个月，便因为不堪大风侵扰而垮塌。 ▲塔科马大桥事发时的扭动场景像麻花一样 比虎门大桥抖动强烈很多
据当年的媒体报道， 塔科马大桥的最初设计是在路基下使用格状桁架梁，随后却改为板状钢梁作为支撑。 按照原先的设计，风只会直接通过桁架，但新的设计将风转移到了桥面上下两端。 ▲格状桁架梁

这使得大桥即使在2m／秒的二级轻风中，桥面就会发生1.2米左右的起伏；风稍大些，起伏更甚，驾车过桥时司机都感到眩晕，尽管工程师曾用粗钢缆加固，仍无济于事。 很快，塔科马大桥便得到了“舞动的格蒂”的绰号，但美国人当时依然乐观地认为，桥梁的结构强度足以支撑大桥。
大桥出事时，正处于风速为18m／秒的八级大风中，大桥桥面以交替的扭转运动振动，振幅逐渐增大，直到桥面撕裂为止。
▲塔科马大桥不堪风力而垮塌
很多人将这次大桥垮塌的原因错误地归结为“卡门涡街”（源自著名力学家冯·卡门的研究）。 但联邦工程管理局发布的调查报告称，涡激共振在此次悬索桥的振荡中并未起重要作用。

因为，风速和振动频率之间不存在直接的相关性，而涡激共振则一般有一个风速锁定区间，即风速和振动有强相关性。
庆幸的是这次事故并没有造成人员损伤，但I-35W密西西比河大桥垮塌事件中的遇难者则没有如此幸运了。 2007年8月，正值交通高峰时段，作为明尼苏达州阿波利斯市的重要交通枢纽，密西西比河大桥突然坍塌，桥面坍塌造成13人死亡，145人受伤。 据估计事故发生时桥上有50-100辆机动车辆，是美国自1983年以来最严重的非天灾或外力因素所造成的桥梁崩塌事件。 ▲桥南停车场监控摄像拍到的画面

事实上这次坍塌事故早已埋下隐患， 早在1990年，美国联邦政府就将以I-35W密西西比河大桥评为有"结构缺失"，因为其支座有严重腐蚀。 但结构缺失并非意味桥梁有立即性的危险，应该进行定期检查及修缮工作，但当时全美总共有超过七万座桥梁被评为此一等级，因此大家对此不以为然。 2001年明尼苏达大学研究报告表明，尽管I-35W大桥在引桥段出现很多疲劳痕迹，但在整个应力系统中最重要的主桥段上，并未发现有疲劳裂纹。

随后一份类似报告也称大桥不会因为疲劳裂纹而产生问题，所以不必提前更换，以避免为这一巨大工程而支付大笔开销。 因为一次次的疏忽，导致了悲剧的发生。
相比桥梁事故，大厦、居民楼建筑的垮塌事件来得更加令人胆战心惊。
2013年4月24日，发生在孟加拉国的“拉纳广场”的八层商业大楼倒塌事件被被认为是现代人类历史上最致命的结构性故障事故，经过19天连日搜索，确定死亡人数达1,134人、事故导致约2,500人受伤。 ▲“兰纳广场”大楼倒塌时 引起周边民众围观
后经调查，事故原因是 由于整座大楼是建造在填充水池上，破坏了大楼的结构完整性。

同时 大楼第五层至第八层未经允许而被企业私自改造，从原本的商业用途变为工业用途 ，重型机械的重量和振动加剧了建筑结构的过载。 2013年4月25日，也就是事故发生的第二天，孟加拉政府将这天定为国家哀悼日。这次重大的伤亡也成为世界上建筑物倒塌罹难人数最多的灾难事件。 4 “基建狂魔” 值得骄傲的是，2000多年前，中国人筑长城、造皇陵、修运河，完成一个又一个不可能的奇迹，2000年后，中国做高铁、建大桥、修铁路，同样实现一个又一个辉煌的创举。 在这次席卷全球的新冠疫情里，中国人更是用了短短十天时间就建成了总建筑面积超过3万平方米，架设箱式板房近两千间，接诊区、病房楼、ICU样样俱全的火神山医院，向全世界宣告“中国速度”。 ▲火神山医院施工现场
而在桥梁建造领域，中国取得成就更是让其他国家望尘莫及。

特别是最近十年来， 中国桥梁以每年3万多座的速度递增，目前我国公路桥梁数量达83.25万座，全国桥梁总数达100万座，已成为世界第一桥梁大国，并且建成了一大批世界级的重大桥梁。 ▲世界前十名跨海长桥中 中国占据7座
中国还负责设计建造了多座其他国家的桥梁，比如塞尔维亚泽蒙－博尔察大桥、马来西亚槟城二桥、马尔代夫跨海大桥、巴拿马运河三桥等。

这些事实都在向世界宣示，中国桥梁正在走向海外，中国造桥实力是得到世界认可的。

而虎门大桥，这座飞架在珠江口之上的悬索桥，通行至今23年，经历过不知多少次强台风袭击仍然坚挺 ，绝不可能是豆腐渣工程。
但我们仍然希望，相关机构能够正好借着这次机会，给大桥来一次彻底的全面体检，杜绝一切不稳定隐患。

毕竟虎门大桥工程作为重要交通枢纽，连接了珠江东、西两岸，广东省东、西翼的，是贯穿深圳、珠海、香港、澳门的咽喉。
这种关键的交通枢纽容不得沙子。

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