啥？引發虎門大橋異常振動的卡門渦街，還能發電？

2023-04-01 03:25:58

大橋的搖晃與風產生的卡門渦街有關。它不僅可以摧毀橋梁，還可以用來發電。

最近，「基礎設施狂人」花店的溫度變得更高了，甚至連橋似乎都「漂移」了。4月26日，武漢英武洲長江大橋像波浪一樣起伏，嚇壞了所有的路人。5月5日，廣東省虎門大橋也發生了一波又一波的劇烈搖晃，立即引發了網民的熱烈討論。

虎門大橋是中國自行設計建造的第一座現代超大型懸索橋，被認為是20世紀中國橋梁建設的最高成就。它的建成和通車只需要20年。根據我國橋梁建設規劃標準，設計缺陷的可能性基本可以排除。事實上，英武洲長江大橋和虎門大橋的搖擺都與風有關，而罪魁禍首就是風產生的卡門渦街。

虎門大橋大幅擺動，中央電視臺新聞圖片

卡門渦街到底是什麼？

如果你在小橋流水中漫步，你一定會發現當河水流速加快時，水在遇到橋墩後會分成兩個彎路。奇怪的是，這兩股氣流並不是對稱的，而是呈現出兩組交替的小漩渦向下遊移動，如下圖所示:

與上述流體繞過物體時產生兩排交錯渦流的現象相似，它在流體力學中被稱為卡門渦街，最初是由錢學森的導師馮·卡門發現並命名的。至於為什麼兩排旋渦是不對稱的，這仍然是流體力學的一個難題。

日常生活中，當風吹過橋面時，大多形成卡門渦街，兩組周期性和交替性的旋渦分別對橋面產生上下作用力，橋面隨之振動。但是，由於橋面通常設計成流線型，兩組旋渦緊貼橋面，作用力小，因此產生的振幅很小，平時很難檢測到。然而，在最近的虎門大橋維修中，在橋面上放置了一排隔離擋板。這些一米多高的小傢伙瞬間破壞了大橋的空氣動力學形狀。兩組旋渦從橋面分離，作用力的大小和頻率增加。一旦作用頻率與橋梁本身的固有頻率一致，形成共振，橋面產生顯著波動就不足為奇了。

虎門大橋橋面上的隔離擋板改變了大橋的空氣動力外形(圖片來源:中央電視臺新聞)

卡門渦街的危害是什麼？

卡門渦街經常對橋梁造成傷害，最典型的例子是美國塔科馬大橋的倒塌。1940年11月，才建成4個月的塔科馬大橋在9米的低風速下劇烈搖晃。然後橋倒塌了，掉進了海裡。後來的研究表明，事故的罪魁禍首是卡門渦街引起的共振。塔科馬大橋的倒塌震驚了當時的橋梁界。此後，橋梁模型的風洞試驗被納入橋梁試驗，橋梁的風振問題也發展成為一門新的學科。

塔科馬大橋倒塌的那一刻(照片來源:搜狐)

值得一提的是，卡門渦街似乎特別喜歡吊橋。鷹梧州長江大橋、虎門大橋和塔科馬大橋都是懸索橋。懸索橋，通常被稱為懸索橋，可以建得很高，因為不需要在橋的中心設置橋墩。它們經常被用在跨水橋的設計中，以便船隻可以自由通過。然而，懸索橋有一個先天的缺陷——固有頻率低，穩定性差，對風荷載非常敏感，容易受到卡門渦街的影響。但是，由於塔科馬大橋在建造現代懸索橋之前將考慮抗風振動設計，並且在建成後將安裝橋梁變形實時監測系統，因此在通過懸索橋時無需驚慌。