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大桥为什么会异常晃动?“卡门涡街”了解一下

来源:红星新闻

据中新网消息,5月5日15时32分左右,广东虎门大桥发生异常抖动,广州交警支队对虎门大桥进行了交通管制,提醒途经车辆绕道行驶。据现场视频显示,呼呼风声中,大桥桥面出现轻微起伏的波浪。

▲虎门大桥发生异常抖动。图据网络

事实上,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”。比如,2010年,俄国南部伏尔加河的大桥就曾发生波浪状的“离奇”摇晃,当时好几辆正行驶在桥上的车子也跟着不断摇摆。

但是,真正让人们意识到“卡门涡街”在建筑、桥梁、飞机制造设计以及船舶领域的重要影响,当属美国的塔科马海峡吊桥事件——它既是现代桥梁建筑史上最为标志性的灾难,也成为物理学和工程学的经典研究案例。

▲塔科马海峡吊桥垮塌。图据《商业内幕》

据《商业内幕》报道,美国华盛顿州的塔科马海峡吊桥(Tacoma Narrows Bridge)建于1938-1940年间,是当时仅次于金门大桥和乔治·华盛顿大桥的世界第三长吊桥。它的设计师莱昂·莫伊塞夫是美国20世纪二、三十年代悬索桥的领军人物,也是全钢制桥的早期推行者。

莫伊塞夫的“变形理论”广负盛名,根据这个理论,桥梁长度越大,允许的变形也越大。正因为如此,莫伊塞夫相信自己可以把悬索桥建得比以往更轻、更细、更长,这个想法在他对塔科马海峡大桥的设计方案中得到了充分体现。

▲莱昂·莫伊塞夫(右一)图据PBS

可令莫伊塞夫没有想到的是,大桥吊装完成后,只要有4英里/小时的“小风”吹来,大桥主跨就会有轻微的上下起伏。甚至在建造过程中,工人就已经注意到了这座大桥出现的晃动现象。

1940年11月7日,技术人员在7:30测得风速为38英里/小时,两小时后增强至42英里/小时,而此时的塔科马海峡吊桥,桥面波浪形起伏已达1米多。疯狂的扭动使得路面一侧翘起达8.5米,倾斜达到45度。

▲一个摄制组正好拍下塔科马海峡吊桥波浪起伏的画面。图据VICE

最终,承受着大桥重量的吊索接连断裂,失去了拉力的桥面就像一条发怒的蟒蛇在空中奋力挣扎。建成通车仅四个月后,120多米的大桥主体轰然坠入塔科马海峡,激起了一大片烟尘。

据《福布斯》报道,塔科马海峡吊桥倒塌后第二天,著名物理学家冯·卡门觉得此事不妥,便用一个塔科马海峡吊桥模型进行试验。结果不出他所料,塔科马海峡吊桥倒塌事件的元凶,正是“卡门涡街”引起的桥梁共振——

在必定的风速规模内,穿过大桥的气流会周期性地产生两串平行的反向旋涡,连续性的旋涡会对被绕的桥梁产生周期性浸染力,这种浸染力和大桥震动的频率接近时,就会产生共振。共振越强,大桥摆动扭曲的幅度便会越大。

▲卡门涡街示意图

当然,设计之初,为了美观和节省投资,莫伊塞夫使用过轻的物料,并将大桥从7.6米高的钢桁架主梁降至2.4米高的钢板梁,也是酿成灾难的原因之一。

但毫无疑问的是,塔科马海峡吊桥为后来的桥梁设计与建造敲响了警钟。毕竟,当时的桥梁设计界尚未认识到卡门涡街的严重危害,仍然是从传统的桥梁承重等设计角度出发开展大桥的设计。此后的十年内,桥梁空气动力和空气弹性学出现并进一步完善。

▲新建的塔科马海峡吊桥和平行桥。图据bechtel

1950年,新建的塔科马海峡吊桥在经由严谨设计建造后通车运营,道床厚度增至10米,并在路面上加入气孔,使空气可在路面上穿越,防止卡门涡街的产生。稳稳矗立于海峡之上的它,每日通车流量高达6万车次,因此也被称为“强壮的格蒂”。2007年,新的平行桥通车,行车线由两条增至4条,是现今全美国第五长的悬索桥。

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