5月5日，廣東虎門大橋橋面發(fā)生振動的視頻在互聯(lián)網(wǎng)上瞬間刷屏。在大家印象中堅不可摧的大橋居然以40厘米左右的幅度振動，橋上經(jīng)過車輛中的乘客甚至產(chǎn)生了暈眩感，簡直是好萊塢災(zāi)難大片的現(xiàn)實版。如果再聯(lián)想到1940年11月坍塌的美國塔科馬海峽大橋，不由得讓我們“細思恐極”——大橋設(shè)計是否存在缺陷?施工中是否出現(xiàn)了嚴重失誤?虎門大橋是否有垮塌的危險?

對于這次罕見的大橋震動事故，許多橋梁工程專家第一時間給出的解釋是，橋面安裝的水馬引起了渦振。

水馬：分割路面的注水塑制障礙物。

渦振：氣流繞過結(jié)構(gòu)時，會產(chǎn)生周期性的漩渦脫落，當這個漩渦脫落的頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率相近時，就會發(fā)生大幅度的共振。

但水馬撤除后，虎門大橋依然產(chǎn)生了規(guī)模較小的“余振”，與此同時，幾張虎門大橋吊索銹蝕斷裂的照片再次在網(wǎng)絡(luò)上瘋傳。大家不由得心生疑問，會不會是因為吊索的銹蝕引起大橋的振動?小小的水馬真的是引發(fā)大橋振動的罪魁禍首嗎?虎門大橋的問題應(yīng)該如何解決呢?

纜索：大橋的阿克琉斯之踵

首先我們來看看第一個犯罪嫌疑人——吊索。如果吊索的斷裂要引起大橋的振動，大概只有兩種可能，一種是吊索的斷裂導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)整體剛度的下降，虎門大橋一共有數(shù)百根吊索，少數(shù)吊索的斷絲問題很難引起橋梁整體的動力特性改變，而如果大量的吊索斷裂，那虎門大橋恐怕已經(jīng)瀕臨垮塌，而不是橋面振動那么簡單了。

第二種可能，是吊索的振動引起主梁的振動。2005年7月，克羅地亞著名的杜布羅夫尼克大橋，就發(fā)生了嚴重的吊索事故，在狂暴的風雨中，大橋的吊索放飛了自我。據(jù)推算，這座斜拉橋的斜拉索當時的振幅達到了2.5米，拉索之間出現(xiàn)了碰撞，導(dǎo)致拉索的HDPE保護套破裂，橋塔上用來錨定拉索的高強螺栓脫落掉在了橋面。這一事件引起了極大的恐慌。

但是，即使是這樣大幅度的拉索振動，我們從現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)視頻中，也可以看出橋面的振動幅度很小，從而說明對于虎門大橋這樣的索承重橋梁來說，要靠吊桿(拉索)這樣的纜索振動引起主梁的振動，吊桿的振幅一定要達到很大的幅值，而這不可能不引起過往司機行人的注意，因此吊桿振動引起虎門大橋振動的說法，也基本可以排除。

那么，為什么橋梁吊索在不良天氣中會發(fā)生這么可怕的振動呢?這種振動叫做風雨振。大家可能還有印象，中學(xué)時代化學(xué)實驗中化學(xué)老師不斷地強調(diào)“玻璃棒的作用是引流!”而在下雨時，大橋上一定傾斜角的拉索就會像玻璃棒一樣給雨水“引流”，雨水在拉索表面流動形成了水線。正是這種2~3毫米的水線改變了截面的形狀，改變了結(jié)構(gòu)受到的氣動力，引起了拉索的發(fā)散性振動，從而導(dǎo)致了風雨振的發(fā)生。

如何限制纜索的振動，一直是橋梁工程領(lǐng)域的一個難題。當纜索的振動幅度增大時，纜索的保護結(jié)構(gòu)就會破壞，橋面用來固定纜索的錨箱也會開裂，進水，原本保護纜索的裝置直接變成了引起銹蝕的蓄水池。不過虎門大橋的吊索質(zhì)量堪稱優(yōu)良，參考國內(nèi)的類似工程，撫順市天湖大橋在通車12年后更換了吊索，江陰大橋在通車10年后就開始更換吊索?；㈤T大橋1997年建成，20年才被發(fā)現(xiàn)吊索銹蝕破壞，人家還有點小驕傲呢。

開流節(jié)源——治好虎門大橋的秘訣

空氣動力學(xué)就是如此奇妙，微不足道的水線就有可能引起拉索的大幅振動，那么橋面上堆積的眾多水馬，引起虎門大橋發(fā)生渦振，也是合情合理的推測。

塔科馬大橋的災(zāi)難過后，全球橋梁工程設(shè)計們達成了一個共識：所有的大橋都必須通過風洞試驗來選出合理的結(jié)構(gòu)斷面，以避免各種潛在的振動問題，力圖讓風吹過橋面時，可以像平靜的水流一樣流過。虎門大橋上水馬的出現(xiàn)，無疑破壞了原來合理的斷面，攪亂了通過的氣流。這如同在流動的河水中憑空加入障礙物一樣，制造出了漩渦，從而導(dǎo)致大橋整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不穩(wěn)定。

事實上，類似的振動在全世界范圍內(nèi)時有發(fā)生，首先有請俄羅斯的伏爾加河大橋出場。

以及1997年的東京灣大橋。

這類的振動確實嚇人，號稱“戰(zhàn)斗民族”，膽大包天的俄羅斯，有關(guān)部門在伏爾加河大橋出現(xiàn)振動后，也不得不宣布大橋封閉五天。但是上述振動過后，檢測均證明大橋主要結(jié)構(gòu)沒有主要損傷，在加裝一定的振動控制裝置后就能保證運轉(zhuǎn)完好。

我們可以將大橋出現(xiàn)的大幅有害振動理解為，氣流中的能量輸入給了大橋，超過了所能允許的范圍。那么要解決這類問題，就要“開流節(jié)源”。

所謂開流，就是把大橋無處安放的振動能量再傳遞給其他結(jié)構(gòu)，找個背鍋俠承受這些振動的能量。 土木工程中就有一位專業(yè)的背鍋俠，他的名字叫做調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，簡稱TMD(Tuned Mass Damper)。 這里所謂的調(diào)諧，指的是將TMD的振動頻率調(diào)整得和大橋的振動頻率一樣。 不管是渦振還是其他振動，都屬于共振，也就是荷載的頻率和結(jié)構(gòu)本身的頻率一樣。 通過調(diào)諧，TMD就把收音機調(diào)到了大橋同一個頻道，當收音機里的音樂響起，TMD就能立刻挺身而出替大橋把鍋背了。

我們可以看這個動圖，右邊的主體結(jié)構(gòu)上方附加了一個黃色的TMD，一開始TMD被固定住無法振動(背鍋)，主體結(jié)構(gòu)整體振動幅度就很大。當TMD解除固定振動以后，主體結(jié)構(gòu)的振幅就明顯減小了。附加TMD方法是一種最為通用的結(jié)構(gòu)振動控制方法，前面動圖中的三座大橋的振動都是通過附加TMD的方法解決的。

第二種方法便是“節(jié)源”，就是通過方法減少大橋振動能量的輸入。既然虎門大橋是由于形狀改變引起能量輸入的增加，那自然也就可以通過改變橋梁形狀的方法解決渦激振動。例如丹麥的大海帶橋(Storeblt suspension bridge)，該橋在施工快結(jié)束時發(fā)現(xiàn)了大幅的渦激振動。通過風洞試驗，工程師給橋面兩側(cè)設(shè)計了兩個導(dǎo)流板(Guide vanes)，使橋面具有更好的流線線型，避免了旋渦脫落導(dǎo)致的渦激振動。

上述兩種方法不需要對大橋做大手術(shù)，在實踐中也很好地解決了渦振問題。事實上，這些解決措施本身并不難，難點主要還是需要通過風洞試驗進行驗證，因此現(xiàn)在還需要多給專家們一些時間。相信假以時日，進行適當加固改造后，虎門大橋又可以正常投入運行。

參考文獻

[1] Savor Z, Radic J, Hrelja G. Cable vibrations at Dubrovnik bridge[J]. Bridge Structures, 2006, 2(2): 97-106.

[2] Telang N M, Ligozio C A, Mehrabi A B. Luling Bridge—Phase II Structural Evaluation of Luling Bridge Stay Cable Array—Tasks 1, 2, and 3[J]. Report to the Louisiana Department of Transportation and Development, State Project (700-45): 0107.

[3] Frank K H, Breen J E. Durability of Stay Cable[C]//Proceedings of the High Performance Stay Cable Systems Seminar. 2004.

[4] Fujino Y, Siringoringo D. Vibration mechanisms and controls of long-span bridges: a review[J]. Structural Engineering International, 2013, 23(3): 248-268.

[5] Larsen A, Esdahl S, Andersen J E, et al. Storeblt suspension bridge–vortex shedding excitation and mitigation by guide vanes[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2000, 88(2-3): 283-296.

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