人類與風的搏斗

李瑞

虎門大橋。

近日，虎門大橋異常振動的新聞引發了全國性的關注。在新聞報道畫面中，這座大型懸索橋的晃動幅度相當大，根據專家組初步判斷，這次振動是由風引起，“特定風環境，引發了橋梁渦振現象”。

這讓不少人聯想起曾經發生過的幾起大型橋梁坍塌事故，不禁擔心起它的命運來。

什么是懸索橋，它為什么對風敏感？橋梁史上風造成的重大災害給了人類哪些啟示？渦振是如何產生的？我們需要為虎門大橋的命運感到擔憂嗎？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。

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，主跨長度直接關系到橋梁的設計和建造難度。大型橋梁比較常見的結構形式有懸索橋和斜拉橋兩種，但若按照主跨長度進行排列，世界前50長大橋中，斜拉橋僅僅占據其中5座，其余均為懸索橋。

懸索橋的優勢非常明顯：迄今為止，懸索橋是世界上跨越能力最大的橋梁形式，工程造價方面較經濟;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置臨時橋墩;對變形具有一定的適應能力，適合地質構造復雜的地區。因此，懸索橋在跨越海峽兩岸的建造環境下是非常經濟合理的選擇。

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，橋梁結構對風作用的敏感性強，因此在大風情況下需要暫時中斷交通。這絕非橋梁本身存在質量問題，而是晃動起伏的橋面可能對行車安全構成一定的影響。基于同樣的原因，懸索橋不宜作為重型鐵路橋梁。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要求很高，較軟土質上的塔架地基將會非常龐大且昂貴。

歷史上曾經有兩次著名橋梁事故，讓人們對橋梁的“風敏感”有了認識。

1. 泰橋事故——風力靜載荷掀翻大橋

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，采用桁架結構，是當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，泰橋在一場狂風中坍塌。當時的風速達到了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。

負責該橋建設的是英國當時著名的橋梁工程師托馬斯·鮑什爵士。事后展開的調查發現，他曾經對55米長的桁架大梁進行過風力載荷評估，結論是無需顧慮風力影響。之后設計方案發生了變更，大梁長度調整為了75米，但他并未及時進行風力載荷評估，反而自信地認為風力對現有的設計不會構成影響。

事故發生之后，調查委員會給出的一系列結論都認為風力載荷瞬間失穩至少是關鍵誘因之一。

2. 塔科馬大橋事故——人類初識風力動載荷

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

時間過去了半個世紀，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。

橋梁建設過程中以及通車后，有很多建設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。當局在隨后幾個月內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（建成當年）11月7日，風速達到了19米/秒，橋面的振動異常激烈。負責大橋風洞模型試驗的華盛頓大學?？松┦亢退膱F隊接報后趕往現場，用16毫米膠片拍下了大橋從振動失穩到最終坍塌的一系列珍貴視頻。

從遺留的視頻中，工程師們發現，大橋的振動模式先是橋面整體呈現正弦波形態，共有5個波峰4個波谷，周期為一分鐘36次。這種振動持續了將近一小時后，忽然轉變為以橋面中心為對稱軸，兩側各自沿著道路中心線的扭轉，周期為1分鐘14次。扭轉在短時間內給橋梁的承重部件造成了極為嚴重的毀損，最終，大橋很快從波動幅度最大的四分之一橋面處發生斷裂，墜入大海。

當時的人們所不理解的是，為什么在遠遠低于設計風速載荷的情況下，大橋會發生如此強烈的振動，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律的徹底了解。

揭開渦振謎團

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

據說他找到一個大橋的設計模型，然后放置在書桌上，用電扇向其吹風。當電扇風力達到某個“恰好”的范圍內時，模型開始振動，并在風力作用下逐漸產生強烈的共振。卡門教授立刻意識到風力作用下的共振可能是大橋坍塌的主要原因。他一邊組織團隊在加州理工進行試驗，一邊聯系州長，告知他如果貿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查組，卡門教授也位列其中。他利用自己在流體動力學方面的深厚造詣，向建造方說明了風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過風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在，新設計解決了共振問題。而風力和橋梁間可能發生的共振，也已經成為生活常識之一。

那么，話說回來，這種共振到底是如何形成的呢？

經過上面兩個事故的“教育”，我們已經知道，風力對橋梁的影響，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，主要是風力在橋梁上受到抵抗后，在橋梁構件上形成的側向載荷?！办o”的含義是指作用在某個結構上一段時間內的平均風力載荷。動載荷針對塔科馬大橋事故中類似的情形，主要是風力與橋梁結構間的共振作用導致的動態載荷。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。

風作為流體通過橋梁構件時，必然會從橋的兩側流過。在一定條件下，兩側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”現象。

渦流會向其經過的流體施加側向力，這種作用會給大橋構件帶來周期變化的作用力。這里要注意風本身并不存在周期性，而是風吹過后的渦流自然形成的周期作用力。當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構安全性的程度，無需對大橋的命運做過分的擔心。但長期渦振會影響結構的抗疲勞能力，虎門大橋的異常振動持續了數個小時，在梁端豎向支架、抗風支座和伸縮縫等關鍵位置是否發生損傷仍需進行檢驗。

了解了渦振的原理，我們再回答塔科馬大橋的案例。大橋原先的設計團隊很好地考慮了靜載荷對大橋的影響，據稱它耐瞬間風速的強度達到了60米/秒以上。但由于受到當時的認知水平限制，在設計和建造上盲目節約成本，導致出現了一系列容易引發渦振的橋體形態或者結構，并且，由于對風力作用下橋梁振動的認識不足，也沒有設置有效的制振組件，再加上當地特殊的天氣條件，最終鑄成災難。

鑒于渦振的危險性，目前的大橋設計過程中，風洞試驗是非常關鍵的一步，它可以在結合當地氣象條件的情況下，對設計方案是否容易引發共振加以判斷。不過，無論多么精巧的設計都不可能完全避免渦振產生的可能性，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，一種是空氣力學方式，一種是構造力學方式。它們的作用對象分別是渦流和渦流產生的振動。

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

構造力學方式以振動為主要的消除對象，它有很多種具體的實現形式，其中技術含量較高的是利用制振裝置來抑制振動。這類裝置依據的原理是產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域也有大量的應用實例。

日本明石海峽大橋。

當然，上述這些構造或者裝置的有效性同樣要先通過風洞試驗的評估。目前世界上最長的懸索橋是日本明石海峽大橋，它的主跨長度達到了1991米，是虎門大橋的兩倍還多。這座大橋建設初期，施工方按照1：100的比例制作了長度約為40米的風洞模型，橋梁結構可能面臨的渦振風險和制振措施的有效性得到了詳細的評估。然而，即便如此，在風力強勁晃動明顯的天氣，這座大橋同樣會被暫時關閉。我國的虎門大橋，在強風一類惡劣天氣下，當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其實并沒有多大，不會影響橋梁結構安全，只是會影響行車體驗感和舒適性，易誘發交通安全事故。所以大橋管理部門啟動應急預案，聯合交警部門及時采取了雙向交通管制措施。根據現有數據和觀測到的現象分析，虎門大橋懸索橋結構安全可靠，此次振動也不會影響虎門大橋懸索橋后續使用的結構安全和耐久性。

我國現代化懸索橋的起步很晚，虎門大橋于1992年動工建設，1997年建成通車，作為標桿性的工程，當時由西南交通大學和同濟大學共同進行的風洞試驗結果表明，大橋的梭形風嘴扁平形鋼梁，有著良好的空氣動力學性能。

不過，我國的《公路橋梁抗風設計規范》經過數次改版，20多年間對于橋梁抗風的認識還在不斷加深，所以虎門大橋成為第一個安裝了橋梁監測系統的大橋。

盡管通過了風洞測試，但其中試驗模擬的風荷載畢竟與實際的風荷載有所不同，橋梁投入使用后能否抵抗實際的風荷載還是需要時間的檢驗?；㈤T大橋的震顫設計風速大于超級臺風，也經受過多次臺風的洗禮，足以說明設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。但大橋恢復靜止要等到應力能量完全釋放，需要時間和風場改變，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構安全性的程度，無需對大橋的命運做過分的擔心。但長期渦振會影響結構的抗疲勞能力，虎門大橋的異常振動持續了數個小時，在梁端豎向支架、抗風支座和伸縮縫等關鍵位置是否發生損傷仍需進行檢驗。這也是廣東省委技術會上提出的要全面檢查，確認振動原因，經過充分論證后再通車的原因。

風力與橋梁間的復雜作用曾經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單位，都面臨著很多技術上和管理上的挑戰。但無論何時，把人民的生命財產安全放在第一位，都是我們決策考量的首要因素。

◎ 來源|微信公眾號“科學辟謠平臺”