桥梁振动：是"颤振"还是"涡振"？

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　　一、Tacoma Bridge 颤振

　　塔科马海峡大桥位于美国华盛顿州，1940年7月1日通车，四个月后却在18m/s的低风速下颤振而破坏，这戏剧性的一幕正好被一支摄影队拍摄了下来，该桥因此声名大噪。事实上，该桥仅在启用后的几个星期，桥面便开始出现摆动，平日里的微风便能让它“随风起舞”，碰上大风天，桥面的摆动甚至可达2米之多，该桥也因此被当地居民称为“舞动的格蒂”。

　　塔科马大桥的设计师，系大名鼎鼎的旧金山金门大桥的设计师之一里昂·莫伊塞弗，他认为斜拉索大桥主缆本身可以吸收一半来自风的压力，桥墩和索塔也可以透过传导分散这些能量，于是大桥主梁从原先的7.6米缩减为2.4米。但材料上的“缩水”并非大桥坍塌的主要原因，真正让大桥瓦解的元凶，是工程设计上的局限——当时的土木工程师没有预见到空气动力给桥梁带来的共振影响。该桥的风毁事故立即震动了世界桥梁界，从此也引发了科学家们对桥梁风致振动问题的广泛研究。

　　二、东京湾大桥涡振

　　日本东京湾通道桥主桥为10跨一联的钢箱梁连续梁桥，最大跨度240m，在16~17m/s的风速下发生了竖向涡激振动，跨中振幅达50cm。这是由于气流经过钝体桥梁结构时产生分离，形成了周期性的旋涡脱落，并产生作用于桥梁上的周期性气动力，当旋涡脱落频率接近于桥梁的某个固有频率时，就激发了桥梁的涡激共振。

　　虽然涡激共振不会像颤振一样引起桥梁毁灭性的破坏，但频繁持续的涡振会造成桥梁构件疲劳破坏，并引起行人和行车不舒适，因此避免涡激共振也是桥梁抗风设计的重点之一。确定桥梁涡激共振的锁定风速范围和最大振幅的有效手段是节段模型风洞试验，而抑制涡振发生的最好办法就是通过风洞试验选取理想的桥梁截面形式。

　　三、俄伏尔加河大桥蛇形共振

　　2010年5月19日晚，俄罗斯首都莫斯科南方的伏尔加格勒过河大桥发生离奇摆动，钢筋混凝土构建的大桥竟呈波浪形翻滚，整个桥体也出现了较为明显的左右晃动，并发出震耳欲聋的声音，正在桥上行驶的车辆也在滚动中跳动。大桥振动停止后，专家检查了桥梁各处道路和围栏等，发现桥梁无裂纹，无损伤。工程师在初步检查后认为，这种现象可能是受地震影响，或是大桥桥墩受到洪水冲击所导致。俄罗斯著名桥梁专家阿纳托利则表示，这种现象是由于风波动和负载所共振而引发的。

　　以上几组实例概括了柔性桥梁结构在风致激励下两类典型失稳形态：发展性振幅颤振和锁定振幅区间的涡振。最早在第二次世界大战结束后，人们对塔科玛桥的风毁事故的原因进行了研究。一开始，就有二种不同的意见在进行争论。—部份航空工程师认为塔科玛桥的振动类似于机翼的颤振;而以冯卡门为代表的流体力学家认为，塔科玛桥的主梁有着钝头的H型断面，和流线型的机翼不同，存在着明显的涡旋脱落，应该用涡激共振机理来解释。冯·卡门1954年在《空气动力学的发展》一书中写道：塔科玛海峡大桥的毁坏，是由周期性旋涡的共振引起的。设计的人想建造一个较便宜的结构，采用了平钣来代替桁架作为边墙。不幸，这些平钣引起了涡旋的发放，使桥身开始扭转振动。这一大桥的破坏现象，是振动与涡旋发放发生共振而引起的。

　　事实上，以现代科学眼光来看，此类振动到底归于哪类、孰是孰非，过早下结论仍是比较困难的事情。

　　下面简要介绍下两类观点代表性人物：

　　冯·卡门

　　Karman Vortex Street

　　1997年匈牙利发行一张冯·卡门纪念邮票，以卡门涡街为背景

　　冯·卡门是美藉匈牙利力学家，近代力学的奠基人之一，1881年5月11日生于匈牙利布达佩斯，1963年5月7日卒于德国亚琛。他在美国加州理工学院的研究生中，有中国学者钱学森、郭永怀、钱伟长，以及美藉华人学者林家翘等，他的学术思想对中国力学事业的发展起了积极的作用。他善于透过现象，抓住事物的物理本质，提炼出数学模型，树立了现代力学中数学理论和工程实际紧密结合的学风，奠定了现代力学的基本方向。1911年，德国科学家冯·卡门从空气动力学的观点找到了这种涡旋稳定性的理论根据。

　　流体绕过非流线形物体时，物体尾流左右两侧产生的成对的、交替排列的、旋转方向相反的反对称涡旋。卡门涡街是粘性不可压缩流体动力学所研究的一种现象。流体绕流高大烟囱、高层建筑、电线、油管道和换热器的管束时，都会产生卡门涡街。出现涡街时，流体对物体会产生一个周期性的交变横向作用力。如果力的频率与物体的固有频率相接近，就会引起共振，甚至使物体损坏。这种涡街曾使潜水艇的潜望镜失去观察能力，海峡大桥受到毁坏，锅炉的空气预热器管箱发生振动和破裂。但是利用卡门涡街的这种周期的、交替变化的性质，可制成卡门涡街流量计，通过测量涡流的脱落频率来确定流体的速度或流量。

　　河水流过障碍物时，经常可见卡门涡街。冯·卡门曾在意大利北部博洛尼亚的一所教堂里，目睹一幅油画，其中圣克里斯托弗背负少年基督，赤足渡河，画家画出圣克里斯托弗的脚跟在河水中造成两排交错的旋涡，冯·卡门说，这是卡门涡街最早的记录。

　　2002年12月1日，Madeira岛上空的卡门涡街

　　阿兰·达文波特

　　Wind-induced vibration of structures

　　达文波特出生在印度马德拉斯，在南非长大。成年后就读于剑桥大学，获得力学专业的学士和硕士学位，而后在多伦多大学和布里斯托大学又分别获得硕士和博士学位。他的论文《在紊流风场中的高耸结构和大跨桥梁风荷载分析》是他职业生涯的焦点。后期成为加拿大西安大略大学教授和大气边界层风洞实验室开创者，他还曾经担任过加拿大皇家海军的飞行员。

　　来源：同济风工程公众号(ID：TJWindEngineering)
　　作者：赵林