人類與風(fēng)的搏斗

李瑞

虎門大橋。

近日，虎門大橋異常振動的新聞引發(fā)了全國性的關(guān)注。在新聞報道畫面中，這座大型懸索橋的晃動幅度相當(dāng)大，根據(jù)專家組初步判斷，這次振動是由風(fēng)引起，“特定風(fēng)環(huán)境，引發(fā)了橋梁渦振現(xiàn)象”。

這讓不少人聯(lián)想起曾經(jīng)發(fā)生過的幾起大型橋梁坍塌事故，不禁擔(dān)心起它的命運來。

什么是懸索橋，它為什么對風(fēng)敏感？橋梁史上風(fēng)造成的重大災(zāi)害給了人類哪些啟示？渦振是如何產(chǎn)生的？我們需要為虎門大橋的命運感到擔(dān)憂嗎？想要回答這一系列問題，還得從懸索橋的特點說起。

柔而不軟的懸索橋

虎門大橋是一座橫跨珠江的大型懸索橋，主跨長度為888米，在世界橋梁大小排名中處于第50-55名的范圍之內(nèi)。

我們通常用主跨（橋塔間距）長度來比較大型橋梁之間的大小，主跨長度直接關(guān)系到橋梁的設(shè)計和建造難度。大型橋梁比較常見的結(jié)構(gòu)形式有懸索橋和斜拉橋兩種，但若按照主跨長度進(jìn)行排列，世界前50長大橋中，斜拉橋僅僅占據(jù)其中5座，其余均為懸索橋。

懸索橋的優(yōu)勢非常明顯：迄今為止，懸索橋是世界上跨越能力最大的橋梁形式，工程造價方面較經(jīng)濟(jì);橋面下可以有比較高的通行空間;建造時無需在橋中間部設(shè)置臨時橋墩;對變形具有一定的適應(yīng)能力，適合地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地區(qū)。因此，懸索橋在跨越海峽兩岸的建造環(huán)境下是非常經(jīng)濟(jì)合理的選擇。

不過，懸索橋也有如下的不足之處：首先，懸索橋具有剛度小、柔性大和阻力小等特點，橋梁結(jié)構(gòu)對風(fēng)作用的敏感性強，因此在大風(fēng)情況下需要暫時中斷交通。這絕非橋梁本身存在質(zhì)量問題，而是晃動起伏的橋面可能對行車安全構(gòu)成一定的影響?；谕瑯拥脑颍瑧宜鳂虿灰俗鳛橹匦丸F路橋梁。另外，懸索橋的載荷集中在兩座塔架上，對于塔架所處地面的土質(zhì)要求很高，較軟土質(zhì)上的塔架地基將會非常龐大且昂貴。

歷史上曾經(jīng)有兩次著名橋梁事故，讓人們對橋梁的“風(fēng)敏感”有了認(rèn)識。

1. 泰橋事故——風(fēng)力靜載荷掀翻大橋

1878年，英國蘇格蘭泰灣上一座跨海鐵路橋拔地而起。這座3.5公里長的大橋被命名為泰橋，采用桁架結(jié)構(gòu)，是當(dāng)時世界上最長的橋梁。然而，這座曾讓英國人驕傲的大橋壽命卻只有不到兩年。1979年12月28日，泰橋在一場狂風(fēng)中坍塌。當(dāng)時的風(fēng)速達(dá)到了30米/秒以上，正在過橋的列車隨著橋面桁架一同墜海。該事件造成了75人死亡的重大慘劇。

負(fù)責(zé)該橋建設(shè)的是英國當(dāng)時著名的橋梁工程師托馬斯·鮑什爵士。事后展開的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，他曾經(jīng)對55米長的桁架大梁進(jìn)行過風(fēng)力載荷評估，結(jié)論是無需顧慮風(fēng)力影響。之后設(shè)計方案發(fā)生了變更，大梁長度調(diào)整為了75米，但他并未及時進(jìn)行風(fēng)力載荷評估，反而自信地認(rèn)為風(fēng)力對現(xiàn)有的設(shè)計不會構(gòu)成影響。

事故發(fā)生之后，調(diào)查委員會給出的一系列結(jié)論都認(rèn)為風(fēng)力載荷瞬間失穩(wěn)至少是關(guān)鍵誘因之一。

2. 塔科馬大橋事故——人類初識風(fēng)力動載荷

泰橋事故讓人類開始認(rèn)識到風(fēng)力給大橋造成的嚴(yán)重威脅，此后風(fēng)力載荷評估一直是大橋建設(shè)過程中的基礎(chǔ)工作之一。然而，此時的人類尚沒有意識到同樣是風(fēng)的力量，較弱風(fēng)在特定條件下同樣可能讓大橋面臨重大災(zāi)難。

時間過去了半個世紀(jì)，1940年3月9日，塔科馬大橋在美國華盛頓州西北部海灣建成通車。塔科馬大橋是一座與虎門大橋同類型的懸索橋，主跨長度達(dá)到了853米，但橋身卻只有雙向兩個車道和步行過道，加起來寬度只有11.9米。

橋梁建設(shè)過程中以及通車后，有很多建設(shè)者和路人都注意到該橋的振動幅度非常大，以至于很多人慕名開車前來就為了體驗一把在橋面上顛簸的感覺。當(dāng)局在隨后幾個月內(nèi)想了很多辦法以解決該問題，然而始終沒有什么明確的效果。

1940年（建成當(dāng)年）11月7日，風(fēng)速達(dá)到了19米/秒，橋面的振動異常激烈。負(fù)責(zé)大橋風(fēng)洞模型試驗的華盛頓大學(xué)福克森博士和他的團(tuán)隊接報后趕往現(xiàn)場，用16毫米膠片拍下了大橋從振動失穩(wěn)到最終坍塌的一系列珍貴視頻。

從遺留的視頻中，工程師們發(fā)現(xiàn)，大橋的振動模式先是橋面整體呈現(xiàn)正弦波形態(tài)，共有5個波峰4個波谷，周期為一分鐘36次。這種振動持續(xù)了將近一小時后，忽然轉(zhuǎn)變?yōu)橐詷蛎嬷行臑閷ΨQ軸，兩側(cè)各自沿著道路中心線的扭轉(zhuǎn)，周期為1分鐘14次。扭轉(zhuǎn)在短時間內(nèi)給橋梁的承重部件造成了極為嚴(yán)重的毀損，最終，大橋很快從波動幅度最大的四分之一橋面處發(fā)生斷裂，墜入大海。

當(dāng)時的人們所不理解的是，為什么在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計風(fēng)速載荷的情況下，大橋會發(fā)生如此強烈的振動，直到完全失控坍塌？以今天的眼光來看，如果說泰橋事故是因為人類缺少對自然的敬畏，那么塔科馬大橋事故則是因為人類缺乏對自然規(guī)律的徹底了解。

揭開渦振謎團(tuán)

塔科馬大橋事故后，華盛頓州長于第二天便宣布，大橋設(shè)計合理，重建工作將馬上開展。但很多業(yè)內(nèi)人士對此強烈反對，他們認(rèn)為在事故原因查明之前絕不能貿(mào)然重建。其中就有知名的流體動力學(xué)家西奧多·馮·卡門。

據(jù)說他找到一個大橋的設(shè)計模型，然后放置在書桌上，用電扇向其吹風(fēng)。當(dāng)電扇風(fēng)力達(dá)到某個“恰好”的范圍內(nèi)時，模型開始振動，并在風(fēng)力作用下逐漸產(chǎn)生強烈的共振?？ㄩT教授立刻意識到風(fēng)力作用下的共振可能是大橋坍塌的主要原因。他一邊組織團(tuán)隊在加州理工進(jìn)行試驗，一邊聯(lián)系州長，告知他如果貿(mào)然重建大橋定會重蹈覆轍。

最終，政府在輿論壓力下成立了事故調(diào)查組，卡門教授也位列其中。他利用自己在流體動力學(xué)方面的深厚造詣，向建造方說明了風(fēng)力造成大橋共振的可能機理，并要求建造方提出的新方案必須經(jīng)過風(fēng)洞測試才能考慮開工建造。重建之后的塔科馬大橋一直通車到現(xiàn)在，新設(shè)計解決了共振問題。而風(fēng)力和橋梁間可能發(fā)生的共振，也已經(jīng)成為生活常識之一。

那么，話說回來，這種共振到底是如何形成的呢？

經(jīng)過上面兩個事故的“教育”，我們已經(jīng)知道，風(fēng)力對橋梁的影響，主要是兩種類型，一種是所謂的靜載荷（靜風(fēng)力），另一種是動載荷。

靜載荷針對泰橋事故中類似的情形，主要是風(fēng)力在橋梁上受到抵抗后，在橋梁構(gòu)件上形成的側(cè)向載荷?！办o”的含義是指作用在某個結(jié)構(gòu)上一段時間內(nèi)的平均風(fēng)力載荷。動載荷針對塔科馬大橋事故中類似的情形，主要是風(fēng)力與橋梁結(jié)構(gòu)間的共振作用導(dǎo)致的動態(tài)載荷。動載荷有很多具體種類，但其中起到最主要作用的就是此次在虎門大橋新聞中所提到的渦振。

風(fēng)作為流體通過橋梁構(gòu)件時，必然會從橋的兩側(cè)流過。在一定條件下，兩側(cè)的空氣將形成一系列交錯排列的氣旋，這就是所謂的“卡門渦街”現(xiàn)象。

渦流會向其經(jīng)過的流體施加側(cè)向力，這種作用會給大橋構(gòu)件帶來周期變化的作用力。這里要注意風(fēng)本身并不存在周期性，而是風(fēng)吹過后的渦流自然形成的周期作用力。當(dāng)來自渦流的周期振蕩和橋面本身的撓曲振蕩（橋面自身的上下振蕩）發(fā)生頻率重合，就會形成威力強大的共振。這就是所謂的“渦振”。

美國塔科馬窄橋。

虎門大橋的渦振并沒有到影響橋梁壽命或者結(jié)構(gòu)安全性的程度，無需對大橋的命運做過分的擔(dān)心。但長期渦振會影響結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力，虎門大橋的異常振動持續(xù)了數(shù)個小時，在梁端豎向支架、抗風(fēng)支座和伸縮縫等關(guān)鍵位置是否發(fā)生損傷仍需進(jìn)行檢驗。

了解了渦振的原理，我們再回答塔科馬大橋的案例。大橋原先的設(shè)計團(tuán)隊很好地考慮了靜載荷對大橋的影響，據(jù)稱它耐瞬間風(fēng)速的強度達(dá)到了60米/秒以上。但由于受到當(dāng)時的認(rèn)知水平限制，在設(shè)計和建造上盲目節(jié)約成本，導(dǎo)致出現(xiàn)了一系列容易引發(fā)渦振的橋體形態(tài)或者結(jié)構(gòu)，并且，由于對風(fēng)力作用下橋梁振動的認(rèn)識不足，也沒有設(shè)置有效的制振組件，再加上當(dāng)?shù)靥厥獾奶鞖鈼l件，最終鑄成災(zāi)難。

鑒于渦振的危險性，目前的大橋設(shè)計過程中，風(fēng)洞試驗是非常關(guān)鍵的一步，它可以在結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件的情況下，對設(shè)計方案是否容易引發(fā)共振加以判斷。不過，無論多么精巧的設(shè)計都不可能完全避免渦振產(chǎn)生的可能性，所以，人們想到了一系列方法來讓渦振的強度盡可能地衰減。抑制渦振強度的方式大致可以分為兩種類型，一種是空氣力學(xué)方式，一種是構(gòu)造力學(xué)方式。它們的作用對象分別是渦流和渦流產(chǎn)生的振動。

空氣力學(xué)方式的原理非常簡單，既然在某些部位可能產(chǎn)生渦流，那么在這些地方設(shè)置導(dǎo)流板、阻流板等結(jié)構(gòu)，就可以對氣流的流向進(jìn)行有效的控制，從而減弱或者消除渦流造成的周期力。

構(gòu)造力學(xué)方式以振動為主要的消除對象，它有很多種具體的實現(xiàn)形式，其中技術(shù)含量較高的是利用制振裝置來抑制振動。這類裝置依據(jù)的原理是產(chǎn)生與橋梁振動方向相反的振動，從而在整體上抵消振動的振幅。類似裝置在高層建筑防震等領(lǐng)域也有大量的應(yīng)用實例。

日本明石海峽大橋。

當(dāng)然，上述這些構(gòu)造或者裝置的有效性同樣要先通過風(fēng)洞試驗的評估。目前世界上最長的懸索橋是日本明石海峽大橋，它的主跨長度達(dá)到了1991米，是虎門大橋的兩倍還多。這座大橋建設(shè)初期，施工方按照1：100的比例制作了長度約為40米的風(fēng)洞模型，橋梁結(jié)構(gòu)可能面臨的渦振風(fēng)險和制振措施的有效性得到了詳細(xì)的評估。然而，即便如此，在風(fēng)力強勁晃動明顯的天氣，這座大橋同樣會被暫時關(guān)閉。我國的虎門大橋，在強風(fēng)一類惡劣天氣下，當(dāng)然也會暫時停止通行。

虎門大橋情況如何？

這次造成虎門大橋橋面起伏的風(fēng)其實并沒有多大，不會影響橋梁結(jié)構(gòu)安全，只是會影響行車體驗感和舒適性，易誘發(fā)交通安全事故。所以大橋管理部門啟動應(yīng)急預(yù)案，聯(lián)合交警部門及時采取了雙向交通管制措施。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)和觀測到的現(xiàn)象分析，虎門大橋懸索橋結(jié)構(gòu)安全可靠，此次振動也不會影響虎門大橋懸索橋后續(xù)使用的結(jié)構(gòu)安全和耐久性。

我國現(xiàn)代化懸索橋的起步很晚，虎門大橋于1992年動工建設(shè)，1997年建成通車，作為標(biāo)桿性的工程，當(dāng)時由西南交通大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)共同進(jìn)行的風(fēng)洞試驗結(jié)果表明，大橋的梭形風(fēng)嘴扁平形鋼梁，有著良好的空氣動力學(xué)性能。

不過，我國的《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》經(jīng)過數(shù)次改版，20多年間對于橋梁抗風(fēng)的認(rèn)識還在不斷加深，所以虎門大橋成為第一個安裝了橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的大橋。

盡管通過了風(fēng)洞測試，但其中試驗?zāi)M的風(fēng)荷載畢竟與實際的風(fēng)荷載有所不同，橋梁投入使用后能否抵抗實際的風(fēng)荷載還是需要時間的檢驗。虎門大橋的震顫設(shè)計風(fēng)速大于超級臺風(fēng)，也經(jīng)受過多次臺風(fēng)的洗禮，足以說明設(shè)計強度是符合要求的。

虎門大橋的振動頻率較高，振幅不大，這些都是渦振的典型特點。5月6日晚10時，《南方日報》發(fā)布消息稱水馬已完全撤除，振動趨于平息，也證明了之前的推測。但大橋恢復(fù)靜止要等到應(yīng)力能量完全釋放，需要時間和風(fēng)場改變，這也是后來在放倒水馬后的晚間仍有一段時間振動存在的原因。

目前來看，虎門大橋的渦振并沒有到影響橋梁壽命或者結(jié)構(gòu)安全性的程度，無需對大橋的命運做過分的擔(dān)心。但長期渦振會影響結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力，虎門大橋的異常振動持續(xù)了數(shù)個小時，在梁端豎向支架、抗風(fēng)支座和伸縮縫等關(guān)鍵位置是否發(fā)生損傷仍需進(jìn)行檢驗。這也是廣東省委技術(shù)會上提出的要全面檢查，確認(rèn)振動原因，經(jīng)過充分論證后再通車的原因。

風(fēng)力與橋梁間的復(fù)雜作用曾經(jīng)給人類帶來過重大損失，無論是政府職能部門還是橋梁的建造和運維技術(shù)單位，都面臨著很多技術(shù)上和管理上的挑戰(zhàn)。但無論何時，把人民的生命財產(chǎn)安全放在第一位，都是我們決策考量的首要因素。

◎ 來源|微信公眾號“科學(xué)辟謠平臺”