为什么大桥会出现异常抖动?

随着现代悬索桥的出现,人类得以建造出越来越长的桥梁。悬索桥的跨度可以很长,能够跨过峡谷、大江、海峡,例如,横跨300多米深峡谷的中国矮寨特大悬索桥;杨泗港长江大桥的主跨长度可达1.7公里,这在世界悬索桥中位列第二,而在世界双层悬索桥中位列第一。

由于悬索桥的跨度长,这会带来一些空气动力学问题。当大风横向吹过悬索桥,桥面有可能会出现波浪式的晃动,这会让行经桥上的人感到非常不适。如果严重的话,桥梁还有可能被摇晃垮塌。

那么,为什么悬索桥会出现异常的抖动现象呢?

从物理学原理来讲,任何物理结构都存在一个固有频率。如果强迫振动的频率接近于物理结构的固有频率,就会引发共振现象。如果振幅足够高,结果会导致结构被破坏掉。

在19世纪,法国的一队士兵迈着相当整齐划一的步伐走过一座长100米的桥梁时,由于齐步走产生的频率与大桥的固有频率相吻合,导致大桥不断摇晃,然后出现共振现象。当士兵走到桥中间时,剧烈的共振现象引发桥梁坍塌,数百人落入水中丧命。

除了整齐的步伐之外,大风吹过桥梁也会造成大桥抖动,并有可能引发剧烈的共振现象,这涉及到卡门涡街效应。

当强风横向吹过桥面时,会在桥面上下两侧产生两道旋涡,它们的旋转方向相反,互相交错。由此会对桥面产生周期性强迫力,导致桥面出现晃动。这就是卡门涡街效应,由现代宇航科技之父冯·卡门最早阐明原理。

如果卡门涡街效应十分强烈,使得桥面振动幅度增大,最终达到桥梁的固有频率。结果就会出现共振现象,桥梁将会发生剧烈的振动,从而导致桥梁垮塌,这在现实中有发生过。

1940年,横跨塔科马海峡的塔科马海峡悬索桥建成通车。然而,仅过了几周,桥面就开始出现异常的抖动。经过几个月的摇摆之后,塔科马海峡大桥的桥面最终扭曲断掉,大桥发生垮塌。

根据塔科马海峡大桥模型的风洞测试,大桥崩塌的原因正是卡门涡街效应引发的剧烈共振现象。塔科马海峡大桥的桥面不够厚,使其无法承受强风造成的卡门涡街效应,最终风速为65公里/小时的大风吹垮了大桥。

此后,人们意识到,桥梁建造之前先要对模型进行严格的风洞测试。而且桥梁上还要设计一些气孔,破坏卡门涡街效应。10年之后,经过严格仿真测试的新塔科马海峡大桥又建起来,如今它还在正常通行。

现代桥梁的设计都会考虑到卡门涡街效应,以后基本上不可能会出现塔科马海峡吊桥那样的崩塌现象。

不过,在设计允许的范围内,桥面有时会出现一些上下起伏的波动,这种晃动是正常的涡激振动现象。其原因可能是由桥面的截面发生变化所致,例如,放置水马围挡。只要振动幅度不大,没有超过设计范围,大桥是不会有问题的。