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急預案，聯(lián)合交警部門采取了雙向交通管制措施。

從 GIF 來看，可謂是橋上的人擔驚受怕，橋外的人連聲嘆 wow。

有網友調侃虎門大橋喝醉了；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？

雷鋒網(公眾號：雷鋒網)注：圖源澎湃新聞

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）作為上部結構主要承重構件的橋梁，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構，懸索橋對風的作用十分敏感，抗風穩(wěn)定性是影響懸索橋設計和施工的關鍵。其中，橋梁寬跨比，風的特性等都是影響抗風性的重要因素。

中鐵四局集團市政工程有限公司總工程師周江接受的采訪時表示，懸索橋是一種高超靜定結構，影響抗風振能力的因素有很多?？癸L設計規(guī)范的現(xiàn)代懸索橋，只要風力不超過設計允許范圍，其結構安全性是不用擔心的。

在虎門大橋產生波動之后，國內多名橋梁專家對橋梁進行了研判。5 月 6 日凌晨，廣東省交通集團通報稱：

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

另外，廣東省交通集團還表示，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)使用的結構安全和耐久性。

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

橋梁設計、橋梁風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”，由此改變了橋梁結構的外形。多數(shù)情況下，橋的結構是非常流線型的，加了水馬之后會變鈍，由此容易引起渦振現(xiàn)象。

渦振，又稱渦激振動（Vortex-Induced Vibration，VIV），是橋梁結構的一種風致振動形式。

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

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

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

一種在較低風速下發(fā)生的有限振幅振動；

只在某一風速區(qū)間內發(fā)生；

最大振幅對阻尼有很大的依賴性；

渦激響應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，因此很少會造成結構的徹底損壞。

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。

前面提到，虎門大橋是由于設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，短時間內或還會有振動，因為能量還沒耗散掉。

除了渦激振動，關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，甚至嚴重情況下會對橋梁造成破壞。

在國內外記錄中，大橋晃動的實例屢見不鮮。

雷鋒網注：圖為伏爾加格勒大橋

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)象可能因風波動和負載所共振而發(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。

雷鋒網注：圖為日本東京灣大橋振動場景

和虎門大橋一樣，東京灣大橋也曾產生過渦振。

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

雷鋒網注：圖為塔科馬海峽吊橋

塔科馬海峽吊橋跨度達 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計師 Leon Moisseiff 認為，斜拉索大橋主纜能夠化解一部分風的壓力，同時，橋墩和索塔也能夠通過傳導分散能量，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情況下都會發(fā)生晃動，當風力值變大時，其晃動幅度亦會增大。

坍塌事故發(fā)生后，美國空氣動力學家 Theodore von Karman 進行了調查，發(fā)現(xiàn)倒塌原因在于橋面厚度不足，當?shù)鯓蜃陨淼墓逃蓄l率和卡門渦振的振動頻率達成一致時，橋面容易產生劇烈共振。

幸運的是，虎門大橋沒有造成實質性破壞，據(jù)最新消息，橋梁專家仍在進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。

參考

https://baike.baidu.com/item/%E8%99%8E%E9%97%A8%E5%A4%A7%E6%A1%A5/3535629?fr=aladdin

http://www.xinhuanet.com/local/2020-05/06/c_1125945306.htm

https://baike.baidu.com/item/%E6%B6%A1%E6%BF%80%E6%8C%AF%E5%8A%A8/4461393?fromtitle=%E6%A1%A5%E6%A2%81%E6%B6%A1%E6%8C%AF&fromid=49999235&fr=aladdin

http://www.ccdi.gov.cn/yaowen/202005/t20200506_216749.html