為什麼大橋會出現異常抖動？

2023-03-29 18:00:39 1

隨著現代懸索橋的出現，人類已經能夠建造越來越多的長橋。吊橋跨度可以很大，可以跨越峽谷、大河和海峽，例如中國的矮寨超級吊橋，它跨越300多米深的峽谷；楊四崗長江大橋主跨長可達1.7公裡，在世界懸索橋中排名第二，在世界雙層懸索橋中排名第一。

由於懸索橋跨度大，這將帶來一些空氣動力學問題。當強風吹過吊橋時，橋面可能會在波浪中搖晃，這將使在橋上行走的人感到非常不舒服。如果情況嚴重，橋梁可能會搖晃並倒塌。

那麼，為什麼懸索橋會有異常的晃動呢？

根據物理學原理，任何物理結構都有自然頻率。如果強迫振動的頻率接近物理結構的自然頻率，就會發生共振。如果振幅足夠高，結構將因此被破壞。

在19世紀，當一群法國士兵以相當均勻的速度走過一座100米長的橋時，橋的自然頻率與快速行進產生的頻率重合，導致橋不斷搖晃，然後產生共振。當士兵們走到橋中央時，劇烈的共振現象導致了橋的倒塌，數百人墜入水中死亡。

除了整齊的步伐之外，強風吹過橋梁也會引起橋梁搖晃，並可能引起劇烈的共振，這就涉及到卡門渦街效應。

當強風吹過橋面時，在橋面的上下兩側會產生兩個旋渦，它們的旋轉方向相反且交錯。這將在橋面上產生周期性的力，導致橋面搖晃。這就是卡門渦街效應，它是由現代航空航天技術之父馮·卡門首先闡明的。

如果卡門渦街效應非常強，橋面的振幅將增加，最終達到橋梁的固有頻率。結果，共振將發生，橋梁將劇烈振動，導致橋梁倒塌，這在現實中已經發生了。

1940年，橫跨塔科馬海峽的塔科馬海峽吊橋建成並通車。然而，僅僅幾周後，橋面開始異常搖晃。經過幾個月的搖擺，塔科馬海峽大橋的橋面最終扭曲斷裂，大橋坍塌了。

根據塔科馬海峽大橋模型的風洞試驗，大橋的倒塌是由卡門渦街效應引起的劇烈共振現象引起的。塔科馬海峽大橋的橋面不夠厚，無法承受強風造成的卡門渦街效應。這座橋最終被時速65公裡的強風吹倒了。

從那時起，人們已經意識到，在建造橋梁之前，必須對模型進行嚴格的風洞試驗。此外，應在橋梁上設計一些氣孔，以破壞卡門渦街效應。十年後，經過嚴格模擬測試的新塔科馬海峽大橋再次建成，並仍在正常運行。

現代橋梁設計將考慮卡門渦街效應。未來基本上不可能看到塔科馬海峽吊橋的倒塌。

然而，在設計允許的範圍內，橋面有時會經歷一些起伏，這是正常的渦激振動。原因可能是由於橋面橫截面的變化，例如，水障礙的位置。只要振幅小，不超過設計範圍，橋梁就不會有問題。