[分享]水马？什么导致虎门大桥抖动超20小时

新华社5月6日消息，广东省交通集团6日凌晨通报称，专家组判断，虎门大桥5日发生振动系桥梁涡振现象，并认为悬索桥结构安全可靠，不会影响虎门大桥后续使用的结构安全和耐久性。

6日凌晨，记者在虎门大桥管理中心实时监控画面看到，大桥仍有肉眼可见的轻微振动。

5日下午14时许，虎门大桥悬索桥桥面发生明显振动，桥面振幅过大影响行车舒适性和交通安全，大桥管理部门迅速启动应急预案，联合交警部门及时采取了双向交通管制措施。

虎门大桥为何振动

12位专家连夜开会研判

广东省交通运输厅、省交通集团连夜组织国内12位知名桥梁专家召开专题视频会议进行了研判。

专家组初步判断，虎门大桥悬索桥本次振动主要原因是：由于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，产生的桥梁涡振现象。

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。

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。

目前，虎门大桥桥面已基本恢复常态。

据网友和新闻说当时风速很大，是风导致卡门涡街振动。那么什么是卡门涡街？它有什么样子的危害呢？

通过塔科马大桥倒塌，

来看看风真的能吹倒大桥么？

半个多世纪前美国的一座海峡大桥就以这样的方式结束了生命。且令人匪夷所思的是吹垮大桥的风不过区区8级。

这座桥在当时是美国第三大悬索桥，一度被称为“工程界的珍珠港”。设计师是业界精英，曾先后参与各著名大桥的建造。建筑工人也兢兢业业，绝不存在偷工减料违规造假。

这是一个所有工程学科教学中都绕不开的经典案例。

早在1889年，人们就提出了在塔科马海峡上为北太平洋铁路建造栈桥的建议。由于大桥的建成将大大方便海军在布雷默顿的造船厂和陆军在塔科马的军事基地的交通，桥的建设也得到了美国军方的大力支持。

然而涉及到资金问题，塔科马海峡大桥的建造计划直到1937年才步入正轨。

初步计划，联邦政府公共工程管理处（PWA）需要拨款1100万美元，用于建造大桥。但是来自纽约的工程师莱昂·莫伊塞夫，认为他有更好的办法。

莱昂·莫伊塞夫（右一）

他1885年毕业于哥伦比亚大学，仅三年后便加入纽约市桥梁部门，并参与到20世纪20至30年代几乎所有大型悬索桥的设计中。

建造中的曼哈顿大桥

莫伊塞夫相信自己可以把悬索桥建得比以往更轻、细、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。

塔科马海峡大桥施工图纸

莫伊塞夫打算采用2.4米的普通钢梁代替原计划中7.6米的桁架梁。这不仅将建造成本大幅降低至640万美元，还使得大桥更加的纤细优雅。可是莫伊塞夫没有想到，方案正式获得通过，也意味着他的职业生涯即将走到尽头。

桁（héng）架——由杆件连接成的空间结构

原本大桥设计的抗风能力达到120英里/小时。但是在大桥吊装合拢完成后，只要有4英里/小时的相对温和的小风吹来，大桥主跨就会有轻微的上下起伏。

大桥的缆索

然而起伏的现象没有引起人们过多的担心。在他们看来，满足设计要求的塔科马大桥是安全且可靠的。

1940年7月1日，塔科马海峡大桥如期建成通车。人们很快发现，大桥波动的幅度有点不同寻常。甚至当人在桥上驾车时，可以见到远处的汽车随着桥面的起伏，一会儿消失一会儿又出现。

工程师们也注意到了这个问题，一些专业人员被派遣到现场进行实地监测。

其后几个月，桥面的波动幅度不断增加。大桥管理部门尝试过用捆绑缆绳、安装液压缓冲器的方式去减低波动，减少其对行车的影响，但没有取得成功。

1940年11月7日上午，风儿似乎比以往更喧嚣。技术人员在7：30测得风速38英里/小时，两小时后达到42英里/小时，大桥出现的波浪形起伏竟达1米多。

这时，记者里奥纳德·科茨沃斯正驾车驶过塔科马大桥。

毫无预兆下，大桥路面的一侧突然被风掀了起来。这引起了桥身侧向激烈的扭动，和之前的起伏情况大不相同。在桥面过于剧烈的波动下，科茨沃斯被迫将车停在距离东塔137米的地方。

科茨沃斯跌跌撞撞地爬下汽车，大桥开始像麻花一样来回扭动，他的耳边充斥着混凝土撕裂的声音。疯狂的扭动使得路面一侧翘起达8.5米，倾斜达到45度。

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。

通车仅四个月，120多米的大桥主体轰然坠入塔科马海峡，激起了一大片水花，万幸这次事件没有造成人员伤亡。

大桥坍塌后，美国组建了一个事故调查委员会。其中就包括空气动力学家冯·卡门（Theodore von Kármán）。

卡门是匈牙利犹太人，NASA著名的喷气推进实验室（JPL）是由他创建。

风洞实验室

也正是由于卡门的调查，才使得塔科马海峡大桥事故的原因水落石出。

冯·卡门（卡门涡街发现者）

经过初步的研究，委员会发现大桥在设计上存在不可忽视缺陷。

首先塔科马大桥主跨长853.4米，桥宽却只有可怜的11.9米，这在同时期的悬索桥上是十分罕见的。不仅桥面过于狭窄，只有2.4米高的钢梁也无法使桥身产生足够的刚度。

刚度——物体抵抗变形的能力

其次在原计划中，风可以从桁架梁之间自由穿过。但换成普通的钢梁后，风则只能从桥上下两面通过。

再加上大桥两边的墙裙采用了实心钢板，横截面构成H形结构，对风的阻挡效果将更加明显。

然而，对于塔科马大桥坍塌的准确理论原因，专家们并没有达成统一意见。一部分工程师认为塔科玛桥的振动类似于机翼的颤振。

以卡门为代表的另一派专家则认为，塔科玛大桥的桥身是H型断面，和流线型的机翼不同。

经过加州理工学院风洞内的模型测试后，卡门猜测这场灾难源于一种现象——卡门涡街。

这是一个在自然界广泛存在的现象。

比如在水流中插一根木桩，在特定条件下木桩下游的两侧，会产生两道非对称排列的旋涡。这两排旋涡旋转方向相反，相互交错排列，就像街道两边的街灯一样。

从太空俯瞰智利海岸的卡门涡街

在这次事故中，桥两边的钢板就像是水流中的木桩。当风形成的高速漩涡不断从桥身两边脱离时，会对桥身产生一个交替的侧向力。

卡门涡街是有规律的周期性现象，也就是说漩涡的形成和侧向力的作用，是具有一定频率的。

塔科马大桥本身也有自己的频率，当两个频率接近的时候便会发生共振。而发生共振的后果，现在大家都知道了。经过一番计算和实验，卡门的分析果然得到了证实。

大桥坍塌的画面被当地照相馆的老板巴尼·埃利奥特（Barney Elliott）用16mm胶片记录了下来。

这段珍贵的视频资料被美国国会图书馆选定保存在美国国家电影登记处，被称："在文化、历史和审美学方面有着重要意义"。

同时也成为建筑工程学学生最好的课堂教育片之一。当然我们也不能过多地指责建造大桥的工程师们。

那个年代的人们对悬索桥的空气动力学特性知之甚少，因此这场灾难在当时来说基本上是无法预测的。

而正是塔科马海峡大桥的坍塌引发了全世界科学家对风振问题的研究，促成桥梁风工程等各种新学科的建立。

桥梁断面

如今我们建造大型桥梁时，可以通过修改结构断面形状或安装空气稳定装置，来改善绕过断面的气流。也可以通过安装阻尼器等方式减小桥梁的振动，使桥梁更加地安全耐用。

对桥梁风振问题的研究，使人类近几十年来得以不断突破桥梁的跨度记录。

不用担心虎门大桥被“吹垮”

大家会担心这种振动会不会越来越大，甚至演变为国外出现过的桥梁被“吹垮”的情况。

港珠澳大桥抗风试验专家廖海黎：虎门大桥应该不用担心这个问题。桥梁的风致振动有很多类型，我们比较关注的主要是两种类型的振动，一是涡激振动，另一个就是颤振。颤振是一种在很高风速下，可能破坏桥梁结构的严重振动。虎门大桥发生颤振的风速实际上比超级台风还要高。

在美国1940年塔科马吊桥坍塌后，颤振就被作为大跨度桥梁设计中第一重要的因素来考虑，现在的科技手段能够保证桥梁在寿命期不发生颤振。所以经过专门抗风试验的大跨度桥梁，只要试验、设计和施工中没有什么失误，抗风安全性都是有充分保证的。

塔科马吊桥坍塌后，世界上再没有一座桥梁因为颤振发生问题。虎门大桥当时涡激振动和颤振的试验都做过，这次发生的涡激振动是非正常因素导致的偶发振动。

参考资料：

袁佳珺. Skywalk Collapse美国史上最严重结构灾难：堪萨斯城凯悦酒店天桥坍塌事故. 事故·回到现场

彭小悟. 【废墟之上】堪萨斯城凯悦酒店坍塌事故. 简书

文章部分内容来源：南方都市报、SME科技故事、城市进化论