鄧惠斌 宋振輝 鞠鵬飛
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4月26日下午14時許，多位武漢的車主在微博上反映，鸚鵡洲長江大橋橋體如波浪般晃動，感到頭暈，非常擔心橋梁安全。後經橋管養單位召集設計單位和相關專家實地踏勘，認為橋梁振動系特定風況引起，橋運行正常安全。
專家的意見給大家吃了一顆定心丸，筆者更想借這個機會去了解一下橋梁發生大幅度振動的誘因是什麼。通過查閱相關資料和論文筆者得到了一些解答，在此與從事橋梁工程相關的各位同仁進行探討交流。
導致橋梁發生大幅度晃動的可能原因主要有兩種，一是橋面通行車輛激勵發生共振；二是自然環境作用產生的大幅度振動。
共振指的是物體受到激勵振動頻率與自身固有頻率接近時，發生的振幅增大的現象。自然環境下，其實「萬物皆在動」，任何物體都會受到自然激勵發生振動，大部分振動都很微弱，人體很難感覺到，共振因為振幅更大，人們更容易察覺。
共振現象在自然界中非常多，比如聲學常說的「共鳴」、電學上的振蕩電路以及人類和動物的耳中基底膜共振等等。共振現象有利也有害，我國古代墨家就層利用共振現象製作了「共鳴器」用來偵探敵情，在同一個深坑裡埋設兩隻蒙上皮革的甕，兩甕分開一定距離，根據這兩甕的響度差來判別敵人所在的方向。共振大多時候是有害的，會引起機械或結構很大的變形和內部應力，甚至造成破壞性事故。比如很有名的拿破崙行軍橋梁倒塌事故：19世紀初，一隊拿破崙士兵在指揮官的口令下，邁著威武雄壯、整齊劃一的步伐，通過法國昂熱市一座大橋。快走到橋中間時，橋梁突然發生強烈的顫動並且最終斷裂坍塌，造成許多官兵和市民落入水中喪生。後經調查，造成這次慘劇的罪魁禍首，正是共振！因為大隊士兵齊步走時，產生的一種頻率正好與大橋的固有頻率一致，使橋的振動加強，當它的振幅達到最大限度直至超過橋梁的抗壓力時，橋就斷裂了。類似的事件還發生在俄國和美國等地。有鑑於此，所以後來許多國家的軍隊都有這麼一條規定：大隊人馬過橋時，要改齊走為便步走。
橋上通行的車輛經過橋面時，車輛自重對橋梁結構造成激振，同時如果橋面不平整，橋梁就會在車輛衝擊下產生振動，這也是一種激振。若頻率接近橋梁結構固有頻率就易發生共振。
橋梁為了避免共振，在設計之初就規定了橋梁自振頻率的限值，用來預防車輛通過橋時產生共振，並在橋面伸縮縫處安裝平順的過渡裝置，減小橋面振動。並設置各種類型的阻尼器來消耗掉振動能量。
自然環境作用產生的大幅度振動有幾種較常見的成因，一是地震作用，二是風力作用，再就是風雨振。地震作用顯而易見，橋梁墩柱或塔身傳導地震波到橋面，造成橋梁產生大幅度振動。風雨振則多出現在斜拉橋的拉索上，成因是雨水在拉索表面附著，迎風后上水線（風向與索截面的上切點）發生的有規律振動，由於拉索阻尼器的普及，這種振動基本可以消除。最後也是最複雜的就是風力作用，風振主要是由於風的動力作用產生的。包括的現象有渦振、顫振、抖振和馳振。
渦振指渦激振動是風流經過各種斷面形狀的鈍體結構時，在其斷面背後都有可能發生旋渦的交替脫落，產生交替變化的渦激力而引起的結構振動。渦激振動兼有自激振動和強迫振動的性質，它是一種發生在較低風速區內的有限振幅振動。通常情況下，渦激振動的振幅很小，但當旋渦脫落頻率與結構的固有頻率相接近時，流體與結構間產生強烈的相互作用引起渦激共振。
對照旋渦脫落現象，振動的橋梁從流動的風中吸收能量，由此引起的不穩定被稱為自激振動或顫振。顫振是一種危險性的自激發散振動，其特點是當達到臨界風速時，振動著的橋梁通過氣流的反饋作用而不斷地從氣流中獲得能量，而該能量又大於結構阻尼所能耗散的能量，從而使振幅增大形成一種發散性的振動。對於近流線型的扁平斷面可能發生類似機翼的彎扭藕合顫振。對於非流線型斷面則容易發生分離流的扭轉顫振。顫振會引發結構發散性失穩破壞。儘管顫振是橋梁風致振動中最具危害性的現象，但只有精心分析與設計，輔以風洞模型實驗驗證，並採用提高主梁截面抗扭剛度等措施來提高顫振臨界風速，就能避免這類現象的發生。目前，橋梁的顫振問題已基本得到解決。
抖振即邊界層分離或湍流激起結構或部分結構的不規則振動。抖振的最主要例子是飛機的尾翼抖振。當尾翼處於機翼、機翼—機身接合部或其他部件的尾流中時，尾流中的擾動迫使尾翼作強烈的振動。抖振可視為來流的脈動成分引起的抖振力和紊流繞過結構後產生的脈動力共同作用的結果。按來流的不同可分為：①上遊臨近結構物尾流引起的抖振；②結構物後本身紊流引起的抖振；③大氣紊流引發的抖振。實際上，橋梁結構中最為常見的是大氣紊流成分引起的抖振。
馳振一般發生在正方形、矩形、直角形等複雜不規則的非流線型截面的結構中。馳振產生的機理是由於升力曲線具有負斜率，所以使得空氣升力具有負阻尼作用，從而使結構能夠源源不斷地從外界吸收能量，從而形成類似顫振的發散振動現象。根據產生機理的不同，馳振可以分為尾流馳振和橫流馳振兩種。尾流馳振是由繞過前方結構的波動性來流激發下遊結構物產生的不穩定振動。比如說斜拉橋的拉索、懸索橋吊杆最容易發生尾流馳振。橫流馳振是由升力曲線的負斜率所引起的發散性彎曲自激振動。這種負斜率使得振動過程中結構的位移始終與空氣力的方向相一致，結構不斷從外界吸收能量，從而形成不穩定振動。橫流馳振一般發生在具有稜角的非流線型截面的柔性輕質結構中，懸吊體系橋梁結構中的拉索和吊杆最有可能發生橫流馳振。此外，對於寬高比較小的梁式鋼橋，高柔的大跨徑斜拉橋、懸索橋橋塔以及連續鋼構橋在最大懸臂施工階段的主梁都存在著發生馳振發散的可能性。
以上就是對橋梁發生振動的幾點原因闡述，實際上，橋梁本身受車輛行駛和環境振動影響，無時無刻都在發生著振動，只是大部分振動的幅值並不大，某些環境激振造成的橋梁振動明顯、幅值較大的現象，只要振動幅度在橋梁設計允許撓度限值以內，並不會造成結構損傷。但長期的大幅度振動會造成橋梁部件疲勞損傷，影響橋梁耐久性，對應的，分析振動成因，對症用藥是可以解決橋梁大幅度振動問題的，比如TMD阻尼器及粘滯阻尼器在橋梁上的應用以及針對風振的擾流板的設計都是切實有效的制振措施。
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