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虎门大桥的“涡振”是什么?为什么会持续抖动?

  昨天虎门大桥上了热搜,大桥监控视频中可以看到,桥面犹如隔离后长出的肉肉肚皮般一起一伏,十分规律。

  等等,大桥都抖成这个样子了,会塌吗?

  仔细一想,虎门大桥连前年的“风王”台风山竹都扛过去了,这也不是啥厉害的风,咋就抖得这么明显?

  以及,好奇一问:在上面开车是种什么体验?

中国天气网首席气象分析师胡啸

  带着以上疑问,扒拉着,决定加更一篇,来给大家捋一捋,虎门大桥究竟咋回事。

  虎门大桥当然没有塌,而且如果你有关注这事,现在应该至少get到了一个名词——涡振。

  是的,这次虎门大桥持续又明显的抖动学名叫涡振。它指桥梁在平均风作用下,有绕流通过实腹梁桥断面后交替脱落的涡旋引起的振动。

它包含了两个条件:①涡旋引起振动;②共振。

  懵了?没关系,先看下图。

  我们把图中方块想象为桥梁横截面,风从左侧吹过桥梁,由于桥面阻挡,之后会在桥梁后部(也就是图中右侧)形成波浪式的气流,其中还有一个个涡旋(如下图红绿圈)。

  这些涡旋产生了上下相对的力,当这种力作用于中间的桥面,并且振动频率与桥梁本身的振动频率一致形成共振时,我们就看到了桥面明显的起伏。

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  ▲上图可以看到风从右边往左吹,在横板的左下放形成了一个顺时针转的漩涡,漩涡卷上部的气流拽着这个横板往下走,等于对桥面施加了向下的作用力。

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  ▲这张图则相反,漩涡施加了个向上的力。

  事实上,这种涡旋影响不只会作用于桥梁,它正是流体力学中重要的现象——“卡门涡街”。

卡门涡街

  *“冯卡门漩涡”(Von Karman vortices),通常称为,是流体力学中重要的现象,在自然界中常可遇到,在一定条件下的定常来流绕过某些物体时,物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡,由于非线性作用,形成“冯卡门漩涡”。如水流过桥墩,风吹过高塔、烟囱、电线等都会形成。

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▲图为FY-4A静止气象卫星监测到的卡门涡街(2019年1月21日9:00-14:30北京时)。注意看,图中那一列对称的圈圈云,就是冷空气吹着云层掠过韩国济州岛后形成的卡门涡街了。

  ▲图为FY-4A静止气象卫星监测到的卡门涡街(2019年1月21日9:00-14:30北京时)。注意看,图中那一列对称的圈圈云,就是冷空气吹着云层掠过韩国济州岛后形成的卡门涡街了。

  卫星云图里的济州岛就相当于虎门大桥横截面,被风吹着跑的云就相当于吹拂虎门大桥的风,就形成了我们肉眼可见的排列规则的涡旋云们。

说到这里,只是解释了所有桥梁都会面临的问题:卡门涡街。

但要形成虎门大桥那样明显的抖动,还有个重要条件——共振。

  还记得上物理课老师讲的士兵列队齐步过桥,结果桥塌了的故事吗?那就是士兵整齐的步伐形成的振动与桥梁自振频率一致形成共振的结果。

有限振幅

  事实上,桥梁涡振可以说就是一种的共振。

  虎门大桥办公室副总工程师张鑫敏在接受央视新闻采访时表示,涡振并非风大就能出现,5日发生第一次涡振时,虎门大桥上风力也只有5级左右;它是特定、稳定风速下,风吹过桥面时、与桥的自振频率一致形成了的共振,才会出现的结果。

  风太大了也不行,可能变成威胁桥梁结构的颤振;风小了也不够,无法形成共振,没法出现这么肉眼可见的抖动。

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  ▲事实上,经过调查发现,虎门大桥曾在边护栏连续设置水马,改变了钢箱梁的气动外形,影响了风吹过桥面形成涡旋的作用力。

  所以,要消除虎门大桥的抖动,打破共振就可以了。像当今天大桥拆除了水马,加之风速减弱,涡振就开始减弱。

  不过就像晃动的绳子失去摆动源动力后不会立即停止一样,打破共振后,抖动也不会立即停止。而且,如果之后风又神奇地稳定在一定值域,且与桥梁达成共振,那么虎门大桥再抖起来,也不是不可能。

  现在,让我们回到开始的那个问题——在这抖动的桥面上开车是种什么体验?

但出于安全考虑,咱们还是听交警的话,老实绕路吧。

  虎门大桥办公室副总工程师张鑫敏表示,如果走在上面会有晕船的感觉,而如果快速开车通过则不会有明显感觉。

  由于卡门涡街影响的普遍存在

  现代桥梁在设计建造的时候

  都考虑了流体对桥梁的共振影响

  虽然对悬索桥梁来讲,涡振并非罕见

  但要到达成这样条件的风也不是天天都有的

  所以大家也不用太过担心

 

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