虎门大桥为啥这么“软”？
经常共振的壹读君 | 彤 子
在五一假期的最后一天，连接广州市南沙区与东莞市虎门镇的虎门大桥，发生了神奇的桥振。有多神奇？我们来欣赏一下当时的画面。
身为一座钢筋水泥之桥，竟然像湖面一样做起波浪运动，还是肉眼可见的程度。这让不少外出返程的人伤透脑筋。大家在微信群里奔走相告：“今天虎门大桥好吓人，大家回程绕道吧。”
由于虎门大桥振得太夸张，有些网友一时兴起，对虎门大桥的“桥振”给出了幽默的解释：明天就要收费了，它很激动！
也有一些严肃的网友开始质疑大桥的质量安全问题，甚至直接给虎门大桥扣上了“豆腐渣工程”的帽子。
那么虎门大桥是否存在安全问题呢？5月6日，交通运输部专家工作组抵达现场开展调查研讨，并给出了答案：
这是桥梁的涡振。
忽变“软体动物”的虎门大桥涡振，对桥梁来说，是一种不常见的正常现象。
涡振全称为涡激振动（vortex-induced oscillation），是桥梁工程中常见的风致振动现象。当流体（风）经过钝体（桥体）时，在恒定流速下，会以钝体为中心，交替分离出具有对称性、周期性、持续性的漩涡。
当漩涡产生的振动频率，与桥面固有频率相同（或接近）时，就会引发桥面共振。由于该共振由漩涡而起，所以叫涡激振动。
桥梁产生涡振，要满足两个条件：
一是风。涡振多发生在小于25米/秒的较低风，比如这次虎门大桥“迎风飘扬”的风速只有10~12米/秒。
二是“软”。作为超大跨径悬索桥，虎门大桥也是长、细、轻且阻尼低的柔性结构，对气流作用超敏感。
但虎门大桥自1997年开始投用，至今已有23年了，以前怎么不扭，最近才开始放飞自我了呢？
专家表示，作为临时挡墙的水马改变了桥梁原有的抗风外形，是虎门大桥涡振的帮凶。
水马=120cm高的临时挡墙
当工作人员撤掉了桥上的水马，环境中风速又降低时，虎门大桥的振动幅度明显减小，但桥振并没有停止。虎门大桥大修办公室副总工程师张鑫敏解释：“涡振是有惯性的，需要慢慢消除。”
但有媒体报导，直到5月7日上午11时许，撤除水马的虎门大桥仍有轻微振动。这就让大家更加担心虎门大桥的安全问题。
对此，著名桥梁专家吴明远介绍：悬索桥会有两种振动，一种叫涡振，会影响使用者的舒适性的；另外一种叫颤振，会影响桥梁的安全性。虎门大桥这次发生的振动，主要是影响舒适性的涡振，对桥梁结构不会产生大的影响。
真是这样吗？我们去看看国外那些灵异的桥振。
灵异的外国桥梁事故
其实桥振是种很有特色的运动，不止振动形态不同，对桥梁结构造成的损伤程度也不一样。有些桥在涡振后依旧固若金汤，有些桥会出现可修复的损伤，有些桥则振到垮塌。
与虎门大桥桥振十分相似，2010年，全长154米的俄罗斯伏尔加格勒过河大桥也曾像波浪一样上下起伏波动，并发出了震耳欲聋的声音。
“此起彼伏”的伏尔加格勒过河大桥
涡振之后，专家们仔细检查了桥梁的道路、围栏、各处细节，却没有发现任何无裂纹和损伤。于是伏尔加格勒过河大桥就成了安全涡振的模范生。
比起伏尔加格勒过河大桥的柔和桥振，日本东京湾通道桥的桥振更“硬气”，直上直下的伏波。
“轩然大波”的东京湾道桥
日本东京湾通道桥的最大跨度240米，在16~17米/秒的风速下发生了“生硬”的桥振，最大振幅超过50厘米。学者把这种桥振定义为“竖弯涡振”，并明确指出这种上下大幅波动的涡振对桥梁结构有不良影响。后期检修人员为大桥安装了阻尼器，该桥的涡振振幅变成只有5厘米。
但不是所有桥都这么幸运。
位于美国华盛顿州的塔科马海峡大桥跨度为853米，是当时世界第三的悬索桥，排名仅次于乔治华盛顿大桥和金门大桥。
自1940年7月1日通车起，仅几个星期的时间，该桥桥面就出现了随微风“起舞”的涡振现象，遇到大风时能使桥面的摆动幅度高达2米之多，被当地居民称为“舞动的格蒂”（Galloping Gertie）。
还在涡振的塔科马海峡大桥效果图
注意：长期、反复的涡振会导致桥梁结构“疲劳”或损伤，并埋下安全隐患。
总随风起舞的塔科马海峡大桥于竣工后的第4个月，在18米/秒的风速下，忽然产生了不可控的横向振荡和扭转，最大振幅达到8.5米。几十分钟后，塔科马海峡大桥戏剧性地坍塌了，并成为了现代桥梁失败案例中的“经典之作”。
“波涛汹涌”塔科马大桥
塔科马海峡大桥坍塌引起了学者们的关注，它的坍塌原理至今仍是学者们争辩的焦点。
冯·卡门认为，该桥的坍塌是涡振导致的，并在1954年将此观点写入《空气动力学的发展》一书：“塔科马海峡大桥的毁坏，是由周期性旋涡的共振引起的。”
其他学者则认为大桥坍塌的真正原因是“气动弹性振动”（aeroelastic flutter）导致的颤振，与涡振无关。
气动弹性振动也是风导致的强迫振动，该振动与物体固有频率无关，振动幅度不会减弱，甚至能增强。
气动弹性振动的振幅不会衰减，甚至会越来越强。最出名的例子是“闹鬼秋千”，在阿根廷一个游乐园里，有一个自己荡了10天之久的秋千，气动弹性振动导致秋千的振幅不能衰减，于是闹鬼秋千就成了恐怖片里的经典素材之一。
同理，塔科马海峡大桥也在气动弹性振动的作用下越扭越high，这种横向摇摆对桥梁结构有极大的破坏作用，反复扭转后，桥身结构受到不可逆破坏，最终断裂。
除了风会导致桥梁坍塌，人类步伐的频率也是不折不扣的桥梁“杀手”。
1831年，在英国曼彻特附近，军队齐步过桥时发生了桥面坍塌事故。 1849年，法国西部昂热市曼恩河的大桥上，266名士兵列队过桥，结果大桥突然发生断裂。导致所有士兵落水。1906年，沙俄一支军队迈着整齐的步伐，雄赳赳、气昂昂地通过彼得堡封塔河上的爱纪毕特桥时，桥身也突然断裂。
这些桥本没有质量问题，但士兵齐步走时产生的频率正好与大桥的固有频率一致，导致桥的振动加强，当桥的振幅超过临界值时，桥就断裂了。
之后，许多国家的军队多了一条规定：大队人马过桥时，要改齐走为便步走。但便步走就安全了吗？
2000年，伦敦千禧桥第一次开放使用，数千名游客前来观光。
当游客们穿过泰晤士河时，这座悬索桥忽然开始剧烈晃动，这导致千禧桥开业第一天就被迫关闭。
有研究人员分析，这是行人步伐产生振动的频率与大桥固有频率相似导致的结果。由于每座桥长度、宽度和材料不同，其固有频率也各不相同。无论游客数量多少，只要步伐产生的振动的频率达到大桥固有频率，少量人群也可能使大桥振动。
所以遇到桥梁振动大家不必惊慌，桥梁振动不可怕，现在很多桥体结构都容易出现振动，振动不代表桥梁会马上垮塌，相比之下踩踏事件更可能造成伤害。遭遇桥振，请迅速有序撤离。
参考资料：许福友, 林志兴, 李永宁,等. 气动措施抑制桥梁涡振机理研究[J]. 振动与冲击, 2010(01):85-88+250. 鲜荣, 廖海黎, 李明水. 大跨主梁沿跨向涡振Scanlan非线性模型应用[J]. 振动与冲击, 2009, 28(4):54-58. 郭增伟, 赵林, 葛耀君,等. 基于桥梁断面压力分布统计特性的抑流板抑制涡振机理研究[J]. 振动与冲击, 2012(07):98-103+126. 李春光, 韩艳, 谭迪, et al. 不同交通流下车辆对桥梁涡振稳定性影响的试验研究[J]. 安全与环境学报, 2014(05):71-75. 许福友, 丁威, 姜峰,等. 大跨度桥梁涡激振动研究进展与展望[J]. 振动与冲击, 2010, 029(010):40-49. 项海帆,陈艾荣. 调质阻尼器(TMD)对桥梁涡激共振的抑制[J]. 同济大学学报:自然科学版(2期):159-164. 杨詠昕, 周锐, 罗东伟,等. 不同槽宽分体箱梁桥梁的涡振及其控制措施[J]. 工程力学, 2017(07):36-46. 刘春华, 项海帆. 大跨度桥梁抖振响应的空间非线性时程分析法[J]. 同济大学学报:自然科学版, 1996(4):380-385. 李胜利, 欧进萍. 大跨径悬索桥施工期暂态主缆驰振分析[J]. 土木工程学报, 2009(09):82-89. http://www.360doc.com/content/18/0125/12/36876524_724961816.shtml http://www.doc88.com/p-0731743850466.html 贾布裕, 颜全胜, 余晓琳,等. 考虑行人随机性的人行桥人致横向振动稳定性分析[J]. 工程力学, 2019, 36(01):158-167. ▼
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