【详解】虎门大桥全面检查 “涡振”是什么？风速更大后会发生什么？

　　虎门大桥桥面5月5日出现肉眼可见的“上下起伏”，引发广泛关注。不久前，武汉鹦鹉洲大桥也经历了类似的晃动。

　　事发时，珠江口狮子洋上的风速大约为8m/s，并不算很大，而武汉当地居民更用“风和日丽”来形容鹦鹉洲的天气。为什么虎门大桥经历过多次台风考验、前面正面挺过超强台风“山竹”，却会被和风剧烈影响？

　　经过专家组初步判断，沿桥跨边护栏连续设置水马，改变了钢箱梁的气动外形，在特定风环境条件下，产生了桥梁涡振。

　　涡振背后是一种“卡门涡街效应”，由钱学森、郭永怀、钱伟长等人的老师、美籍匈牙利裔流体力学大师冯·卡门发现，用于描述空气等流体通过物体后出现涡旋脱落。这些漩涡脱落的频率会桥梁的固有频率形成共振。

　　桥梁涡振的一大特点是“限幅”，也就是随着风力的增加，振动也只会限制在一个锁定的区间内，不会像塔科马大桥颤振一样越演越烈，短期内相对安全可控，长期需保持监测。

　　流体力学大师冯·卡门

　　广东省交通集团通报称，根据现有掌握的数据和观测到的现象分析，虎门大桥悬索桥结构安全可靠，此次振动也不会影响虎门大桥悬索桥后续使用的结构安全和耐久性。

　　什么是“涡振”？

　　世界上没有绝对的刚体，看似坚不可摧的钢筋混凝土大桥，同样会产生形变和振动。著名的案例是当军队整齐划一地跨过桥梁，齐步频率恰好与桥梁的固有频率形成“共鸣”时，就可能引发剧烈振动，乃至塌陷。

　　风有时会产生同样强大的威力，悬索桥尤其易受影响。风激发的振动包括多种，这里主要介绍涡振和颤振。

　　涡振，全称涡激振动（vortex induced vibration，VIV），起因是风流过物体截面后，在物体背后产生周期性的漩涡脱落，由此产生对结构的周期性强迫力。

　　涡旋

　　我们可以想象“抽刀断水水更流”，水先是拐了弯，从刀面两端继续流过，随后形成复杂的漩涡结构。

　　这种涡旋结构的频率主要与两个因素有关，一是风速，而是截面的形状尺寸，因此，在设计建造桥梁的数学模拟和风洞试验中，工程师们通常已经做好了充分的安全考虑，通过截面设计来破坏涡旋的脱落。

　　在综合了哈尔滨工业大学深圳校区柳成荫、肖仪清和顾磊等老师意见后，专家分析认为，虎门大桥正在维修施工中，桥面加了1.2米高的水马挡墙，从而破坏了断面流线型引发涡振。

　　为什么振幅有限？

　　8m/s的风速已经引发肉眼可见的振动，也有些人担心，如果风速更大，会否酿成像美国塔科马海峡大桥那样的悲剧？

　　1940年，通车仅4个月的塔科马海峡大桥曾在18m/s每秒的风速下剧烈“舞动”，最终塌陷，成为桥梁抗风研究史上的关键事件。

　　专家组分析得出了“有限振幅”的结论，这也是桥梁涡振的一大特点。

　　原来，当旋涡脱落频率接近桥梁的固有频率，也会产生齐步走和桥梁那样的相互作用，在一定风速范围内产生一种“锁定”现象，空气带来的正阻尼力阻止结构振动继续扩大。

　　在锁定区域内，随着风速提高，结构仍然按固有频率振动，促使漩涡倾向于继续按此频率脱落。只有当风速进一步提高，空气阻尼进一步增大，结构的振动不足以继续维持原有的漩涡脱落频率，结构振动才会与旋涡脱落解锁，离开共振状态。

　　因此，涡振是一种限幅振动，不能无限发散。而且，因为长跨度桥梁的固有频率往往较低，涡振通常也只会在风速不大的情况下发生。

　　涡激振动

　　广东省交通集团通报称，大跨径悬索桥在较低风速下存在涡振现象，振动幅度较小不易察觉，仅在特殊条件下会产生较大振幅，不影响桥梁结构安全，会影响行车体验感、舒适性，易诱发交通安全事故。

　　不过，桥梁涡激的有限振幅到底是多少，目前国内外还没有形成一套比较完整的分析理论。学术界也仅对圆柱等少数形状经过反复实验后形成较为精确的公式。在实际设计建造桥梁时，采用一种半理论半实验的方法进行近似估算。

　　而美国塔科马海峡大桥的致命原因并非涡振，而是颤振。颤振是长的条带状结构在横向气流作用下发生的大幅振动，并且具有以扭转振动为主的特征，最早在飞机机翼的失速上引起人们的注意。

　　颤振是一种典型的气流与结构振动强烈耦合的效应。即气流导致结构振动，结构振动反过来又导致气动力增强，于是振动更加剧烈，最终导致振动发散结构毁坏。可以理解为，涡振中气流和结构相互制衡，形成锁定，而颤振则是互为借力，越演越烈。

　　虎门大桥动工建设时间是1992年，是中国第一座真正意义上的大规模现代化悬索桥。经过半个世纪多的技术发展，加上广东是台风多发地区，像塔科马大桥这样致命的“颤振”问题早已在设计之初就被重点排除。

　　长期监测

　　因此，短期内桥梁涡振并不影响结构安全，长期上应注意对主梁支座和主缆、吊索的疲劳损伤检测监测。

　　现代桥梁往往有一套软硬件结合的系统，对桥梁的裂缝、航道、车流量、大桥的环境温度、振动情况、移位情况等进行实时监测预警。

　　据《科技日报》报道，虎门大桥确有一套这样的监测系统，通过对桥的连续位移进行实时监测，了解桥梁结构在各种作用下的实际受力状态和工作状况；同时通过分析监测结果得到结构的振动参数，验证结构的抗风、抗震设计，实现对大跨桥梁安全的实时监测。

　　业内人士透露，建筑的监测系统维护起来并不容易，一般10年左右软硬件都需要更新，有些项目并不一定能及时置换更新，但像虎门大桥这样的重要枢纽监测系统应该会保持良好运转。

　　截至发稿，虎门大桥管养单位仍在对对大桥进行紧急全面检查检测，同时交通运输部已组建专家工作组到现场指导，虎门大桥将继续封闭双向交通。