大橋為什麼會異常晃動？「卡門渦街」了解一下！

2023-03-31 07:49:27

據中國新聞網報導，5月5日15時32分左右，廣東虎門大橋發生異常搖晃。廣州交警支隊對虎門大橋實施交通管制，提醒過往車輛繞行。根據現場視頻，橋面在呼嘯的風中微微起伏。

▲虎門大橋異常抖動。數據網絡

事實上，「異常」的搖晃或橋梁的搖晃時有發生——這是流體力學中的一個重要現象，「卡門渦街」。例如，2010年，俄羅斯南部伏爾加河上的大橋發生了一次波浪狀的「奇異」搖晃，幾輛汽車也在橋上搖晃。

然而，正是美國塔科馬海峽吊橋事件真正讓人們意識到「卡門渦街」在建築、橋梁、飛機製造設計和船舶領域的重要影響。這不僅是現代橋梁建設史上最具象徵意義的災難，也是物理學和工程學的經典研究案例。

▲塔科馬海峽懸索橋坍塌。據《商業內幕》報導

據《商業內幕》報導，華盛頓州的塔科馬馬海峽大橋建於1938年至1940年之間。這是當時僅次於金門大橋和喬治華盛頓大橋的世界第三長的吊橋。它的設計者利昂·莫伊瑟夫是20世紀20年代和30年代美國懸索橋的領軍人物，也是全鋼橋梁的早期倡導者。

莫伊塞夫的「變形理論」眾所周知。根據這一理論，橋梁長度越大，容許變形越大。正是因為這個原因，莫伊瑟夫相信他可以建造比以前更輕、更薄、更長的懸索橋。這個想法在他的塔科馬海峽大橋設計計劃中得到了充分體現。

▲利昂·莫伊塞夫(右一)根據公共廣播

莫伊塞夫沒有想到的是，一旦大橋被吊起，只要有每小時4英裡的「小風」，大橋的主跨就會輕微波動。即使在施工過程中，工人們也注意到了橋梁的晃動現象。

1940年11月7日，技術人員在7: 30測量到風速為每小時38英裡，兩小時後風速增加到每小時42英裡。此時，塔科馬海峽吊橋的橋面有超過1米的起伏。這種瘋狂的扭轉使得道路的一邊傾斜了8.5米，傾斜了45度。

▲一個電影攝製組剛剛拍攝了塔科馬海峽吊橋的起伏。根據VICE

最後，承載橋梁重量的吊索一根接一根地斷裂了，沒有張力的橋面就像一條憤怒的蟒蛇在掙扎。這座120米長的大橋建成通車僅四個月後，它的主體就撞上了塔科馬海峽，激起了一片巨大的煙霧。

據《福布斯》報導，塔科馬海峽吊橋倒塌後的第二天，著名物理學家馮·卡門發現此事不合適，於是用塔科馬海峽吊橋的模型進行了測試。因此，他預計塔科馬海峽吊橋坍塌的罪魁禍首是由「卡門渦街」引起的橋梁共振

在一定的風速範圍內，通過橋梁的氣流會周期性地產生兩組平行的反向渦流。連續的渦流將在要纏繞的橋上產生周期性的浸漬力。當浸漬力接近橋梁的振動頻率時，就會發生共振。共振越強，橋梁擺動失真的幅度就越大。

▲卡門渦街示意圖

當然，在設計之初，為了美觀和節省投資，莫伊瑟夫使用了輕質材料，將大橋的主梁從7.6米高的鋼桁架減少到2.4米高的鋼桁架，這也是造成災難的原因之一。

然而，毫無疑問，塔科馬海峽吊橋為這座橋的設計和建造敲響了警鐘。畢竟，當時的橋梁設計界並沒有意識到卡門渦街的嚴重危害，仍然從傳統橋梁支座設計的角度出發進行橋梁設計。在接下來的十年裡，橋梁空空氣動力學和空空氣彈性出現並進一步改善。

▲新塔科馬海峽吊橋和平行橋。據bechtel稱

1950年，經過精心設計和施工，新建的塔科馬海峽吊橋通車。道碴床的厚度增加到10米，並在路面上增加氣孔，使空氣體可以通過路面，以防止卡門渦街。它屹立在海底峽谷之上，每天有60，000輛汽車，因此也被稱為「強壯的蓋蒂」。2007年，新的平行橋通車，車道從兩條增加到四條。它現在是美國第五長的吊橋。

紅星新聞記者王亞林和林榮

編輯李彬彬

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