虎門大橋橋面5月5日出現肉眼可見的「上下起伏」，引發廣泛關注。不久前，武漢鸚鵡洲大橋也經歷了類似的晃動。
事發時，珠江口獅子洋上的風速大約為8m/s，並不算很大，而武漢當地居民更用「風和日麗」來形容鸚鵡洲的天氣。為什麼虎門大橋經歷過多次颱風考驗、前面正面挺過超強颱風「山竹」，卻會被和風劇烈影響？
虎門大橋橋面異常抖動
經過專家組初步判斷，沿橋跨邊護欄連續設置水馬，改變了鋼箱梁的氣動外形，在特定風環境條件下，產生了橋梁渦振。
虎門大橋橋面異常抖動
渦振背後是一種「卡門渦街效應」，由錢學森、郭永懷、錢偉長等人的老師、美籍匈牙利裔流體力學大師馮·卡門發現，用於描述空氣等流體通過物體後出現渦旋脫落。這些漩渦脫落的頻率會橋梁的固有頻率形成共振。
橋梁渦振的一大特點是「限幅」，也就是隨著風力的增加，振動也只會限制在一個鎖定的區間內，不會像塔科馬大橋顫振一樣越演越烈，短期內相對安全可控，長期需保持監測。
流體力學大師馮·卡門
廣東省交通集團通報稱，根據現有掌握的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後續使用的結構安全和耐久性。
什麼是「渦振」？
世界上沒有絕對的剛體，看似堅不可摧的鋼筋混凝土大橋，同樣會產生形變和振動。著名的案例是當軍隊整齊劃一地跨過橋梁，齊步頻率恰好與橋梁的固有頻率形成「共鳴」時，就可能引發劇烈振動，乃至塌陷。
風有時會產生同樣強大的威力，懸索橋尤其易受影響。風激發的振動包括多種，這裡主要介紹渦振和顫振。
渦振，全稱渦激振動（vortex induced vibration，VIV），起因是風流過物體截面後，在物體背後產生周期性的漩渦脫落，由此產生對結構的周期性強迫力。
渦旋
我們可以想像「抽刀斷水水更流」，水先是拐了彎，從刀面兩端繼續流過，隨後形成複雜的漩渦結構。
這種渦旋結構的頻率主要與兩個因素有關，一是風速，而是截面的形狀尺寸，因此，在設計建造橋梁的數學模擬和風洞試驗中，工程師們通常已經做好了充分的安全考慮，通過截面設計來破壞渦旋的脫落。
在綜合了哈爾濱工業大學深圳校區柳成蔭、肖儀清和顧磊等老師意見後，專家分析認為，虎門大橋正在維修施工中，橋面加了1.2米高的水馬擋牆，從而破壞了斷面流線型引發渦振。
為什麼振幅有限？
8m/s的風速已經引發肉眼可見的振動，也有些人擔心，如果風速更大，會否釀成像美國塔科馬海峽大橋那樣的悲劇？
1940年，通車僅4個月的塔科馬海峽大橋曾在18m/s每秒的風速下劇烈「舞動」，最終塌陷，成為橋梁抗風研究史上的關鍵事件。
專家組分析得出了「有限振幅」的結論，這也是橋梁渦振的一大特點。
原來，當旋渦脫落頻率接近橋梁的固有頻率，也會產生齊步走和橋梁那樣的相互作用，在一定風速範圍內產生一種「鎖定」現象，空氣帶來的正阻尼力阻止結構振動繼續擴大。
在鎖定區域內，隨著風速提高，結構仍然按固有頻率振動，促使漩渦傾向於繼續按此頻率脫落。只有當風速進一步提高，空氣阻尼進一步增大，結構的振動不足以繼續維持原有的漩渦脫落頻率，結構振動才會與旋渦脫落解鎖，離開共振狀態。
因此，渦振是一種限幅振動，不能無限發散。而且，因為長跨度橋梁的固有頻率往往較低，渦振通常也只會在風速不大的情況下發生。
渦激振動
廣東省交通集團通報稱，大跨徑懸索橋在較低風速下存在渦振現象，振動幅度較小不易察覺，僅在特殊條件下會產生較大振幅，不影響橋梁結構安全，會影響行車體驗感、舒適性，易誘發交通安全事故。
不過，橋梁渦激的有限振幅到底是多少，目前國內外還沒有形成一套比較完整的分析理論。學術界也僅對圓柱等少數形狀經過反覆實驗後形成較為精確的公式。在實際設計建造橋梁時，採用一種半理論半實驗的方法進行近似估算。
而美國塔科馬海峽大橋的致命原因並非渦振，而是顫振。顫振是長的條帶狀結構在橫向氣流作用下發生的大幅振動，並且具有以扭轉振動為主的特徵，最早在飛機機翼的失速上引起人們的注意。
顫振是一種典型的氣流與結構振動強烈耦合的效應。即氣流導致結構振動，結構振動反過來又導致氣動力增強，於是振動更加劇烈，最終導致振動發散結構毀壞。可以理解為，渦振中氣流和結構相互制衡，形成鎖定，而顫振則是互為借力，越演越烈。
虎門大橋動工建設時間是1992年，是中國第一座真正意義上的大規模現代化懸索橋。經過半個世紀多的技術發展，加上廣東是颱風多發地區，像塔科馬大橋這樣致命的「顫振」問題早已在設計之初就被重點排除。
長期監測
因此，短期內橋梁渦振並不影響結構安全，長期上應注意對主梁支座和主纜、吊索的疲勞損傷檢測監測。
現代橋梁往往有一套軟硬體結合的系統，對橋梁的裂縫、航道、車流量、大橋的環境溫度、振動情況、移位情況等進行實時監測預警。
據《科技日報》報導，虎門大橋確有一套這樣的監測系統，通過對橋的連續位移進行實時監測，了解橋梁結構在各種作用下的實際受力狀態和工作狀況；同時通過分析監測結果得到結構的振動參數，驗證結構的抗風、抗震設計，實現對大跨橋梁安全的實時監測。
業內人士透露，建築的監測系統維護起來並不容易，一般10年左右軟硬體都需要更新，有些項目並不一定能及時置換更新，但像虎門大橋這樣的重要樞紐監測系統應該會保持良好運轉。
截至發稿，虎門大橋管養單位仍在對對大橋進行緊急全面檢查檢測，同時交通運輸部已組建專家工作組到現場指導，虎門大橋將繼續封閉雙向交通。
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