前幾天廣東虎門大橋晃動的消息登上了中國各大社交媒體的熱搜榜,從網絡上流傳的視頻中我們確實能夠看到虎門大橋出現了肉眼可見的晃動。事情還沒過多久,虎門大橋發生了第二次晃動,它也成功再次登上了熱搜榜。很多網友表示看著視頻都覺得很可怕,很難想像當時在大橋上的人是什麼感受。從一些新聞媒體上我們了解到,大橋抖動是因為當時出現了較大的風力,而有些網友則表示不買帳,難道在設計橋梁的時候不對這方面進行測試的嗎?
測試是肯定有測試的,否則一座橫跨大江的橋梁不會被批准施工,也不會有車輛每天在大橋上來來往往,而且有些事故的發生總是那麼突如其來,誰能預料到呢?我們應該弄明白的是,為什麼大橋橋面會出現類似波浪一樣的晃動?這裡就要講到流體力學中一種重要的現象——「卡門渦街效應」。這個效應最早是由德國科學家馮·卡門在研究動力學問題時發現的,用它來解釋大橋晃動現象應該是合適的選擇。那麼什麼是卡門渦街效應呢?
以此次出現晃動的虎門大橋為例,如果強風來襲時是沿著橋面流動的,那麼橋面的上下會產生方向相反的渦旋。這兩股渦旋在強風的持續作用下會一直存在著,從而對大橋產生持續的震動。一旦渦旋效應發展到了一定程度,那麼就會導致大橋的振動頻率與固有頻率相等,從而出現大橋晃動甚至是斷裂的現象。當外界因素導致物體產生的振動頻率等於物體的固有頻率,共振現象就出現了。
根據史料記載,共振現象曾經導致法國軍隊受到重創。事情發生在19世紀,一個法國軍隊在踏上一座100米大橋的過程中,士兵邁出步伐的頻率幾乎一致,導致產生了與大橋固有頻率相同的振動頻率,於是大橋開始出現晃動,最後由於共振現象太強烈了,橋身開始出現斷裂,上百名士兵掉入河中犧牲了。上個世紀40年代美國也發生過一起大橋晃動事件,而且那次事件也出現了懸索橋斷裂的悲劇。
這次大橋的主角是橫跨在塔科馬海峽上的懸索橋,在該大橋通車幾個星期後,由於強風的作用大橋出現了不同程度的扭擺。這種現象持續了幾個月,最後大橋還是斷裂了。後來經過事故調查,大橋正是因為出現了卡門渦街效應而坍塌的,之後橋梁工程師都意識到了對橋梁進行風洞測試的重要性。
在後來的研究中,有設計師在懸索橋的橋面上增加許多氣孔,目的是破壞卡門渦街效應的產生,這種方法如今還被應用在橋梁設計中。說回虎門大橋,至於這次的晃動是否也是卡門渦街效應導致,事故調查組還在做進一步的調查,但可以預見的是,在接下來幾個月時間裡,虎門大橋估計都無法通車了。