|
虎門大橋 浪里個浪 昨天下午，模友們的朋友圈，肯定都被“虎門大橋在風中搖晃”的視頻刷屏了吧？  超模君看到這個視頻的時候，懵得一頭霧水，難道這就是傳說中的“渣橋大波浪”？ 為了搞清這里面的原因，超模君詢問了一個土木工程專業的同學，他發了這樣的一段視頻給我：  看到這座在風中詭異扭動的大橋，超模君實在不敢相信自己的眼睛：“這晃得也太離譜了吧？這橋難道是橡膠做的？” 可事實上，這還不是它抖得最厲害的時候。 1940年11月7日，美國跨度853米的塔科馬大橋，在區區8級風的作用下，發生劇烈的震動，竟然真的被吹垮了！
要知道，這可是當時美國的第三大懸索橋，甚至還有“工程界的珍珠港”之稱，距離第一次通車的時間，也不過4個月。 我們見過被超載貨車壓垮的，被洪水沖垮的，甚至還有在建造時就垮掉的，但這種被風吹垮的方式，真的是讓人匪夷所思。 然而，一座大橋的倒下，卻讓后來的千千萬萬座大橋避免了類似的悲劇。  這次事件震動了世界的橋梁界，引發了科學家們對橋梁風致震動問題的研究。 科學家們發現，這種風致震動一般只會發生在懸索吊橋身上，就是我們通常看到的有兩個大柱子，用各種各樣的鋼纜去拉著橋面的那種橋，像美國的金門大橋、塔科馬大橋，還有我們的虎門大橋，都屬于這種橋。  1937年通車的金門大橋 在發明這種橋之前，所有的橋都有非常多的橋墩，而這種橋只需要有兩個或三個橋墩就可以了，相對來說自重更輕、更纖細優雅，因此跨度自然也能做得更大。 但是它同樣面臨一個劣勢，老式的橋雖然說橋墩比較多，跨度比較小，卻只需要考慮橋的載重問題，而這種新型的吊橋不僅要面臨載重的問題，還需要考慮到側風對于橋梁的影響。 因為支撐橋面的只有一捆捆鋼索，而橋面本身是懸空的，所以我們可以把橋面考慮成飛機的機翼，風在吹過的時候，不僅僅有可能會產生渦流，有些時候甚至會產生升力。  但是像這種大橋一般都屬于韌度非常好的鋼結構構成的，所以那一點點升力對于橋來說并不會有太多的影響。 那么像塔科馬大橋這種有規律的波浪，到底是怎么樣形成的呢？ 這就不得不提到著名的流體力學家——匈牙利猶太人馮·卡門（Theodore von Kármán）了。  馮·卡門 事實上，在塔科馬大橋坍塌后，美國就組建了一個事故調查委員會，馮·卡門便是其中的一名成員。 1930年，剛剛移居美國的卡門，開始負責指導古根海姆氣動力實驗室和加州理工大學第一個風洞的設計和建設。
 風洞實驗室 經過加州理工學院風洞內的一番模型測試，卡門認為，這次大橋事故的罪魁禍首正是“卡門渦街”引起的橋梁共振。  其實自然界中卡門渦街的現象很常見，舉個最簡單的例子，被山穿過的云層，在特定條件下，山兩側的云層會產生兩道非對稱排列的漩渦。這兩道漩渦旋轉的方向相反，交錯排列，來回擺動。  那卡門渦街和塔科馬大橋的坍塌有什么關系呢？是什么導致渦流的產生呢？ 原來，塔科馬大橋的設計者，當時著名的工程師萊昂·莫伊塞夫（Leon Moisseiff），在做設計方案的時候，自信可以把懸索橋設計的更加纖細優雅，同時把成本降到最低，就把原本7.6米的桁架梁換成了2.4米的普通鋼梁。  萊昂·莫伊塞夫（右一） 然而，這卻使得橋身無法產生足夠的剛度，抵抗形變的能力也因此大大減小。 不僅如此，在換成了普通的鋼梁之后，風就只能從橋上的兩面通過，不能從原本采用的桁架梁中自由穿行。 而導致大橋坍塌的“罪魁禍首”，則是大橋兩邊的實心鋼板和橫截面一起形成的H型結構。  H型結構 這兩塊鋼板，就像是云層中的山，當風形成的高速漩渦不斷從橋身的兩側流走時，會帶給橋身一個交替的側向力。 而這個側向力是有一定的頻率的，當風達到特定的速度時，就會產生連續性的旋渦，對被繞的橋梁產生周期性浸染力，當這種浸染力和大橋震動的頻率接近時，就會產生共振。 舉個很簡單的例子，比如說蕩秋千，當我們順著它的頻率去蕩時，就很有可能會越蕩越高。 相信看到這里，聰明的模友們應該已經猜出來了，導致這次虎門大橋隨風波動的“罪魁禍首”，就是近期施工時擺放在橋面的水馬！ 在這次事故中，水馬改變了大橋的共振特性，當一定速度的風吹過，不大不小，剛剛好是昨天的風速8m/s，共振就產生了。 共振越強，大橋擺動扭曲的幅度便會越大，幸虧橋管人員及時拆卸了水馬，沒有釀成橋毀人亡的事故。 大家可能還會擔心，虎門大橋會不會也像塔科馬大橋一樣的結果，超模君認為，大概率是不會的！ 據超模君所知，虎門大橋已經服役20多年了，這20年來從來都沒有整出過什么幺蛾子，可見質量還是有保證的。
如果我們能好好了解流體力學背后那一段段故事，也就不會大驚小怪了。 寫在最后 其實世界上很多事都如此，偉大的科學家們早就把世間的法則幫我們總結好了，就像流體力學之父——丹尼爾·伯努利開創了流體力學一樣。 |
|
|
來自： hercules028 > 《物理》
