虎門大橋晃動初步原因公布：橋梁渦振到底是怎么回事？

每逢節(jié)假日，虎門大橋必上熱搜。不同于此前的“堵”上熱搜，昨天的虎門大橋以“奇”被熱議。

2020 年 5 月 5 日 14 時左右，虎門大橋出現(xiàn)了異常振動，橋面以“波浪狀”上下晃動。大橋管理部門隨即啟動應(yīng)急預(yù)案，聯(lián)合交警部門采取了雙向交通管制措施。

從 GIF 來看，可謂是橋上的人擔(dān)驚受怕，橋外的人連聲嘆 wow。

有網(wǎng)友調(diào)侃虎門大橋喝醉了；或是說天太熱了，大口喘氣中；有的還開玩笑稱“明天就要開始收費了，橋激動了”。

值得注意的是，4 月 26 日，武漢鸚鵡洲長江大橋橋體也出現(xiàn)了波浪狀晃動。與虎門大橋一樣，鸚鵡洲長江大橋亦是懸索橋。如此巧合下，橋梁波動，是懸索橋的鍋嗎？橋梁晃動的背后成因是什么？

是懸索橋的鍋嗎？

虎門大橋建于 1992 年，投資近 30 億，全長 4588 米，是連通廣州市南沙區(qū)與東莞市虎門鎮(zhèn)的一座跨海大橋，同時也是我國第一座真正意義上的大規(guī)?，F(xiàn)代化懸索橋。

資料顯示，懸索橋（Suspension Bridge）是指以通過索塔懸掛并錨固于兩岸（或橋兩端）的纜索（或鋼鏈）作為上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件的橋梁，主要由懸索、索塔、錨碇、吊桿、橋面系等部分組成。

相對于其他橋梁，懸索橋可以使用較少的物質(zhì)建造，且能夠跨越較長的距離，較為靈活。在水面上，懸索橋可以造得比較高，容許船在下面通過，且在造橋時無需在橋中心建立暫時的橋墩。

不過，作為一種大跨徑柔性結(jié)構(gòu)，懸索橋?qū)︼L(fēng)的作用十分敏感，抗風(fēng)穩(wěn)定性是影響懸索橋設(shè)計和施工的關(guān)鍵。其中，橋梁寬跨比，風(fēng)的特性等都是影響抗風(fēng)性的重要因素。

中鐵四局集團(tuán)市政工程有限公司總工程師周江接受《科技日報》的采訪時表示，懸索橋是一種高超靜定結(jié)構(gòu)，影響抗風(fēng)振能力的因素有很多?？癸L(fēng)設(shè)計規(guī)范的現(xiàn)代懸索橋，只要風(fēng)力不超過設(shè)計允許范圍，其結(jié)構(gòu)安全性是不用擔(dān)心的。

在虎門大橋產(chǎn)生波動之后，國內(nèi)多名橋梁專家對橋梁進(jìn)行了研判。5 月 6 日凌晨，廣東省交通集團(tuán)通報稱：

專家組初判，虎門大橋懸索橋振動主要原因是沿橋跨邊護(hù)欄連續(xù)設(shè)置水馬，改變了鋼箱梁的氣動外形，在特定風(fēng)環(huán)境條件下產(chǎn)生橋梁渦振現(xiàn)象。

另外，廣東省交通集團(tuán)還表示，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)和觀測到的現(xiàn)象分析，此次振動不會影響大橋后續(xù)使用的結(jié)構(gòu)安全和耐久性。

也就是說，虎門大橋的晃動只是偶發(fā)事件，不會影響后期使用。

水馬長這樣

橋梁設(shè)計、橋梁風(fēng)工程研究專家葛耀君解釋道，由于虎門大橋在修吊桿和主纜，為了防止車撞，會在橋的兩邊放置了臨時的擋墻，俗稱“水馬”，由此改變了橋梁結(jié)構(gòu)的外形。多數(shù)情況下，橋的結(jié)構(gòu)是非常流線型的，加了水馬之后會變鈍，由此容易引起渦振現(xiàn)象。

橋梁渦振是怎么回事？

渦振，又稱渦激振動（Vortex-Induced Vibration，VIV），是橋梁結(jié)構(gòu)的一種風(fēng)致振動形式。

資料顯示，橋梁渦振是一種兼有自激振動和強(qiáng)迫振動特性的有限振幅振動，它在一個相當(dāng)大的風(fēng)速范圍內(nèi)，可保持渦激頻率不變，產(chǎn)生一種“鎖定”（lock-on）現(xiàn)象。

值得注意的是，引起橋梁渦振不在于風(fēng)力多大，而是一種共振效應(yīng)；這也就解釋了 5 日在風(fēng)速不大的情況下，虎門大橋卻產(chǎn)生大幅振動的原因。

據(jù)中央紀(jì)委國家監(jiān)委網(wǎng)站報道，渦激共振主要具有五方面的特征：

一種在較低風(fēng)速下發(fā)生的有限振幅振動；

只在某一風(fēng)速區(qū)間內(nèi)發(fā)生；

最大振幅對阻尼有很大的依賴性；

渦激響應(yīng)對截面形狀的微小變化很敏感；

渦激振動可以激起彎曲振動，也可以激起扭轉(zhuǎn)振動。

同時，報道還指出，渦激振動和氣流之間會相互制衡，渦振振幅不會無限增大，因此很少會造成結(jié)構(gòu)的徹底損壞。

雖然橋體不會受到損壞，但對于出行，上下擺動的橋體容易讓人產(chǎn)生暈眩感，存在著較大安全隱患。另外，如果振動發(fā)生的頻率高，可能會導(dǎo)致橋上桿件出現(xiàn)裂紋或疲勞破壞。

在處理渦激振動問題時，需要把流體和固體彈性系統(tǒng)作為一個統(tǒng)一的動力系統(tǒng)考慮，找到兩者的耦合條件。由此，為了抑制渦振，通常會通過風(fēng)洞試驗選取一個合適的截面破壞漩渦脫落，以此降低渦激振動的響應(yīng)。

前面提到，虎門大橋是由于設(shè)置水馬改變了鋼箱梁的氣動外形才引起了渦振現(xiàn)象，由此，葛耀君建議：

解決辦法就是，加了什么拿掉什么，短時間內(nèi)或還會有振動，因為能量還沒耗散掉。

橋梁振動不少見

除了渦激振動，關(guān)于橋梁振動還存在顫振、抖振、馳振等形式，而這些都會對橋梁的正常使用造成影響，甚至嚴(yán)重情況下會對橋梁造成破壞。

在國內(nèi)外記錄中，大橋晃動的實例屢見不鮮。

伏爾加格勒大橋“蛇形共振”

2010 年 5 月 19 日，伏爾加格勒過河大橋橋面突然呈波浪形翻滾。從側(cè)面看去，橋邊一段接著一段，不停地上上下下。

屆時，俄羅斯著名橋梁專家阿納托利表示，這種現(xiàn)象可能因風(fēng)波動和負(fù)載所共振而發(fā)生。大橋振動停止后，專家檢查了橋梁各處道路和圍欄等，發(fā)現(xiàn)橋梁無裂紋，無損傷。

注：圖為日本東京灣大橋振動場景

日本東京灣大橋“豎向渦振”

和虎門大橋一樣，東京灣大橋也曾產(chǎn)生過渦振。

東京灣大橋最大跨度 240m，曾在 16-17m/s 的風(fēng)速下，發(fā)生豎向渦振，其晃動幅度達(dá) 50cm。

注：圖為塔科馬海峽吊橋

塔科馬海峽吊橋 “振動倒塌”

塔科馬海峽吊橋跨度達(dá) 853 米，大橋建成通行四個月后，就發(fā)生了坍塌事故。

據(jù)悉，塔科馬海峽吊橋的設(shè)計師 Leon Moisseiff 認(rèn)為，斜拉索大橋主纜能夠化解一部分風(fēng)的壓力，同時，橋墩和索塔也能夠通過傳導(dǎo)分散能量，由此將橋的主梁由 7.6 米縮減至 2.4 米。

但由于沒有預(yù)見空氣動力給橋梁帶來的共振影響，塔科馬海峽吊橋在微風(fēng)情況下都會發(fā)生晃動，當(dāng)風(fēng)力值變大時，其晃動幅度亦會增大。

坍塌事故發(fā)生后，美國空氣動力學(xué)家 Theodore von Karman 進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)倒塌原因在于橋面厚度不足，當(dāng)?shù)鯓蜃陨淼墓逃蓄l率和卡門渦街的振動頻率達(dá)成一致時，橋面容易產(chǎn)生劇烈共振。

幸運的是，虎門大橋沒有造成實質(zhì)性破壞，據(jù)最新消息，橋梁專家仍在進(jìn)一步排查橋梁的安全隱患。

同時，歷史的印記也在警示著后人—;—;橋梁的安全性始終是第一位。