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    大橋為什么會異?;蝿??“卡門渦街”了解一下

    時間:2020-05-06 00:16:12 來源:本站 閱讀:4121449次

    據中新網消息,5月5日15時32分左右,廣東虎門大橋發生異常抖動,廣州交警支隊對虎門大橋進行了交通管制,提醒途經車輛繞道行駛。據現場視頻顯示,呼呼風聲中,大橋橋面出現輕微起伏的波浪。

    ▲虎門大橋發生異常抖動。圖據網絡

    事實上,大橋“異?!倍秳踊蚧蝿拥臓顩r時有發生——這是流體力學中重要的現象“卡門渦街”。比如,2010年,俄國南部伏爾加河的大橋就曾發生波浪狀的“離奇”搖晃,當時好幾輛正行駛在橋上的車子也跟著不斷搖擺。

    但是,真正讓人們意識到“卡門渦街”在建筑、橋梁、飛機制造設計以及船舶領域的重要影響,當屬美國的塔科馬海峽吊橋事件——它既是現代橋梁建筑史上最為標志性的災難,也成為物理學和工程學的經典研究案例。

    ▲塔科馬海峽吊橋垮塌。圖據《商業內幕》

    據《商業內幕》報道,美國華盛頓州的塔科馬海峽吊橋(Tacoma Narrows Bridge)建于1938-1940年間,是當時僅次于金門大橋和喬治·華盛頓大橋的世界第三長吊橋。它的設計師萊昂·莫伊塞夫是美國20世紀二、三十年代懸索橋的領軍人物,也是全鋼制橋的早期推行者。

    莫伊塞夫的“變形理論”廣負盛名,根據這個理論,橋梁長度越大,允許的變形也越大。正因為如此,莫伊塞夫相信自己可以把懸索橋建得比以往更輕、更細、更長,這個想法在他對塔科馬海峽大橋的設計方案中得到了充分體現。

    ▲萊昂·莫伊塞夫(右一)圖據PBS

    可令莫伊塞夫沒有想到的是,大橋吊裝完成后,只要有4英里/小時的“小風”吹來,大橋主跨就會有輕微的上下起伏。甚至在建造過程中,工人就已經注意到了這座大橋出現的晃動現象。

    1940年11月7日,技術人員在7:30測得風速為38英里/小時,兩小時后增強至42英里/小時,而此時的塔科馬海峽吊橋,橋面波浪形起伏已達1米多。瘋狂的扭動使得路面一側翹起達8.5米,傾斜達到45度。

    ▲一個攝制組正好拍下塔科馬海峽吊橋波浪起伏的畫面。圖據VICE

    最終,承受著大橋重量的吊索接連斷裂,失去了拉力的橋面就像一條發怒的蟒蛇在空中奮力掙扎。建成通車僅四個月后,120多米的大橋主體轟然墜入塔科馬海峽,激起了一大片煙塵。

    據《福布斯》報道,塔科馬海峽吊橋倒塌后第二天,著名物理學家馮·卡門覺得此事不妥,便用一個塔科馬海峽吊橋模型進行試驗。結果不出他所料,塔科馬海峽吊橋倒塌事件的元兇,正是“卡門渦街”引起的橋梁共振——

    在必定的風速規模內,穿過大橋的氣流會周期性地產生兩串平行的反向旋渦,連續性的旋渦會對被繞的橋梁產生周期性浸染力,這種浸染力和大橋震動的頻率接近時,就會產生共振。共振越強,大橋擺動扭曲的幅度便會越大。

    ▲卡門渦街示意圖

    當然,設計之初,為了美觀和節省投資,莫伊塞夫使用過輕的物料,并將大橋從7.6米高的鋼桁架主梁降至2.4米高的鋼板梁,也是釀成災難的原因之一。

    但毫無疑問的是,塔科馬海峽吊橋為后來的橋梁設計與建造敲響了警鐘。畢竟,當時的橋梁設計界尚未認識到卡門渦街的嚴重危害,仍然是從傳統的橋梁承重等設計角度出發開展大橋的設計。此后的十年內,橋梁空氣動力和空氣彈性學出現并進一步完善。

    ▲新建的塔科馬海峽吊橋和平行橋。圖據bechtel

    1950年,新建的塔科馬海峽吊橋在經由嚴謹設計建造后通車運營,道床厚度增至10米,并在路面上加入氣孔,使空氣可在路面上穿越,防止卡門渦街的產生。穩穩矗立于海峽之上的它,每日通車流量高達6萬車次,因此也被稱為“強壯的格蒂”。2007年,新的平行橋通車,行車線由兩條增至4條,是現今全美國第五長的懸索橋。

    紅星新聞記者 王雅林 林容

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