大橋為什么會異?；蝿?＂卡門渦街＂了解一下

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“異常”抖動或晃動的狀況時有發生——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。