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虎门大桥1992年动工，1997年建成通车，是广东省的明星大桥，也是我国建设的比较早的悬索桥。悬索桥的连接是柔性连接，在外力的作用下允许有一定的摆动。 5月4号，虎门大桥发生了幅度较大的上下起伏，其实是风和悬索桥的主体结构相互作用，产生了一定程度的弹性发散。 这样的摆动属于周期性的起伏，很容易因为外力的作用而耦合放大，需要引起警觉。 大桥近期做维护，在护栏两侧设置了1.2米高的临时挡墙（红色工程塑料外壳内部注水，又称水马）。 ●风掠形成空气漩涡的示意图。 风从水马上空掠过的时候，在背后的低压区形成了脱体涡流。 》脱体涡流是一种环形的空气漩涡，会上下抖动。 抖动的频率和桥的固有频率产生了共振，引起了大桥的大幅度晃动。 这种现象属于流体力学里的紊流的现象，紊流在数学里面没有明确的解析解，只能在实验室中半经验、半理论模拟，没有办法提前预测。 在一定的雷诺数范围内，绕过障碍物的流体，会导致局部的动力学失稳，这种漩涡正式的学术称呼为“卡门涡”。 飞机的机翼在某种情况下也会产生“卡门涡”，所以飞机都要在风洞里进行长时间的吹风，进行气动修型，防止涡流带来的震动。 80年前，美国有一座和虎门大桥类似的悬索桥，也发生过类似的震动事故。 》1940年，美国华盛顿州首座悬索吊桥在普吉特海峡通车，桥跨840米。 在大桥竣工通车后仅仅4个月，在一次中等强度的风中，大桥剧烈的扭摆并且倒塌。 这座桥梁能承受每小时190公里的大风，但造成事故时的风速只有每小时67公里。 当时在风力的吹拂下，桥面板慢慢的上下翻滚。翻滚的频率为每分钟14次，剧烈的扭转运动幅度越来越大，最后发生了垮塌。 ●1940年，普吉特海峡悬索桥塌进行时。 根据流体力学和工程学，复原了普吉特海峡吊桥灾难的原因，主要是由于当时设计的桥梁的箱梁属于全封闭的梁板挡风结构。 这种结构和虎门大桥维修放置的水马的迎风面非常像。 ●普吉特悬索桥桥梁扭曲的照片，可以明显的看出桥梁是板状的箱梁。 从普吉特吊桥事故以后，所有的桥面的梁结构都采用了开放式的深桁架结构，让风可以自由吹拂通过。 ●新建的桥梁已经改成深桁架结构。 虎门大桥在风力的作用下抖动，风力只是必要条件！还有一个条件，就是需要桥的固有震动频率和涡流的震动频率相同。 》水马挡墙中的水可能要承担一部分责任。 如果水马中的水没有住满，有一定的液面空间，水就可以形成一个自由波动的流体面。自由波动的流体面会对外界任何频率的能量进行响应，并且把这个能量储存和放大。 这就好像人端着一盆水走路，有过经验的人就知道，水是非常容易咣当出来的。 而且悬索桥本身就是一种柔性的连接，允许一定的起伏。 从拍摄的视频来看，桥的起伏不是很大，远远达不到破坏桥梁结构的作用。 长期震动会引起大桥的疲劳性破坏，所以还是要尽快解决这个问题。 |
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