大桥为什么会异常晃动？“卡门涡街”了解一下

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据中新网消息，5月5日15时32分左右，广东虎门大桥发生异常抖动，广州交警支队对虎门大桥进行了交通管制，提醒途经车辆绕道行驶。据现场视频显示，呼呼风声中，大桥桥面出现轻微起伏的波浪。 ▲虎门大桥发生异常抖动。图据网络

事实上，大桥“异常”抖动或晃动的状况时有发生——这是流体力学中重要的现象“卡门涡街”。比如，2010年，俄国南部伏尔加河的大桥就曾发生波浪状的“离奇”摇晃，当时好几辆正行驶在桥上的车子也跟着不断摇摆。

但是，真正让人们意识到“卡门涡街”在建筑、桥梁、飞机制造设计以及船舶领域的重要影响，当属美国的塔科马海峡吊桥事件——它既是现代桥梁建筑史上最为标志性的灾难，也成为物理学和工程学的经典研究案例。

▲塔科马海峡吊桥垮塌。图据《商业内幕》据《商业内幕》报道，美国华盛顿州的塔科马海峡吊桥（Tacoma Narrows Bridge）建于1938-1940年间，是当时仅次于金门大桥和乔治·华盛顿大桥的世界第三长吊桥。它的设计师莱昂·莫伊塞夫是美国20世纪二、三十年代悬索桥的领军人物，也是全钢制桥的早期推行者。

莫伊塞夫的“变形理论”广负盛名，根据这个理论，桥梁长度越大，允许的变形也越大。正因为如此，莫伊塞夫相信自己可以把悬索桥建得比以往更轻、更细、更长，这个想法在他对塔科马海峡大桥的设计方案中得到了充分体现。

▲莱昂·莫伊塞夫（右一）图据PBS

可令莫伊塞夫没有想到的是，大桥吊装完成后，只要有4英里/小时的“小风”吹来，大桥主跨就会有轻微的上下起伏。甚至在建造过程中，工人就已经注意到了这座大桥出现的晃动现象。

1940年11月7日，技术人员在7：30测得风速为38英里/小时，两小时后增强至42英里/小时，而此时的塔科马海峡吊桥，桥面波浪形起伏已达1米多。疯狂的扭动使得路面一侧翘起达8.5米，倾斜达到45度。

▲一个摄制组正好拍下塔科马海峡吊桥波浪起伏的画面。图据VICE

最终，承受着大桥重量的吊索接连断裂，失去了拉力的桥面就像一条发怒的蟒蛇在空中奋力挣扎。建成通车仅四个月后，120多米的大桥主体轰然坠入塔科马海峡，激起了一大片烟尘。据《福布斯》报道，塔科马海峡吊桥倒塌后第二天，著名物理学家冯·卡门觉得此事不妥，便用一个塔科马海峡吊桥模型进行试验。结果不出他所料，塔科马海峡吊桥倒塌事件的元凶，正是“卡门涡街”引起的桥梁共振——

在必定的风速规模内，穿过大桥的气流会周期性地产生两串平行的反向旋涡，连续性的旋涡会对被绕的桥梁产生周期性浸染力，这种浸染力和大桥震动的频率接近时，就会产生共振。共振越强，大桥摆动扭曲的幅度便会越大。当然，设计之初，为了美观和节省投资，莫伊塞夫使用过轻的物料，并将大桥从7.6米高的钢桁架主梁降至2.4米高的钢板梁，也是酿成灾难的原因之一。

但毫无疑问的是，塔科马海峡吊桥为后来的桥梁设计与建造敲响了警钟。毕竟，当时的桥梁设计界尚未认识到卡门涡街的严重危害，仍然是从传统的桥梁承重等设计角度出发开展大桥的设计。此后的十年内，桥梁空气动力和空气弹性学出现并进一步完善。

▲新建的塔科马海峡吊桥和平行桥。图据bechtel

1950年，新建的塔科马海峡吊桥在经由严谨设计建造后通车运营，道床厚度增至10米，并在路面上加入气孔，使空气可在路面上穿越，防止卡门涡街的产生。稳稳矗立于海峡之上的它，每日通车流量高达6万车次，因此也被称为“强壮的格蒂”。2007年，新的平行桥通车，行车线由两条增至4条，是现今全美国第五长的悬索桥。