卡門渦街是什麼?80年前震塌塔科馬大橋,如今讓虎門大橋多次抖動

2021-01-17 百年磨一劍

5月5日下午至6日中午,長達20個小時的時間裡,廣東省虎門大橋多次發生抖動。雖然沒有達到搖搖欲墜的程度,但不合常理的抖動還是讓不少人擔驚受怕。

虎門大橋位於珠江獅子洋之上,是一座連接廣州市南沙區與東莞市虎門鎮的跨海大橋。虎門大橋於1992年動工建設,1997年6月9日建成通車。公開資料顯示,虎門大橋是我國第一座真正意義上的大規模化懸索橋,還曾獲得中國土木工程詹天佑獎。

這樣一座使用二十多年,獲得了專業肯定的大橋,在自然條件正常的情況下發生長時間抖動,這引起了眾多專家的注意。經過分析檢測,專家確認,此次抖動的原因是水馬引起的渦振現象。

出於橋梁施工所需,沿橋跨邊護欄上連續設置了水馬。水馬截面的流線型線條,改變了鋼箱梁的氣動外形,因此在特定風環境條件下,產生了橋梁渦振現象。

該現象的學名為「卡門渦街」,是流體力學中很重要的一個現象,發現人叫做西奧多·馮·卡門。

馮·卡門是美籍匈牙利力學家,近代力學的奠基人之一。他也是20世紀最偉大的航天工程學家,我國著名的科學家錢學森、錢偉長、郭永懷都是他的弟子。

1991年,馮·卡門在哥廷根大學擔任著名力學家普朗特的助教。當時,普朗特的研究主要集中在邊界層問題(又稱流動邊界層,流動力學重要課題)上。普朗特讓博士生哈依門茲設計一個水槽,在其中放置一個圓柱體,以觀察圓柱體後面水流的流動分裂。

哈依門茲做好水槽後,驚訝地發現,當水流繞過圓柱體後,會激烈的擺動。普朗特先後提出了圓柱體不夠圓、水槽不對稱等可能性,但修改後這種狀況依然存在。

此事引起了馮·卡門的注意,他對其進行深入研究後發現:水流繞過圓柱體後會形成兩股擾流,由此產生的一系列渦街造成了尾流的搖擺不定。隨後這一現象就被定義為「卡門渦街」現象。

早在80年前,「卡門渦街」就引發過一起重大橋梁坍塌事故。1940年7月,位於美國華盛頓州的塔科馬大橋建成通車。僅4個月後,一場風速每秒19米的風將橋面吹得左右劇烈搖晃,隨後直接坍塌。這場事故被稱為「20世紀最嚴重的工程設計錯誤之一」。

其原因就是風吹動橋梁時,出現了「卡門渦街」,由此產生的拍動剛好和橋梁固有頻率吻合了,正是這種共振導致了橋梁的坍塌。

專家表示,虎門大橋採用的是流線型的斷面設計,本身的風阻較小,發生渦振的概率也比較小。以後再次發生明顯晃動的可能性較小,且不會出現塔科馬大橋這樣的安全問題。

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  • 從虎門大橋渦振到「卡門渦街」與塔科馬海峽大橋
    近日,我國第一座真正意義上的大型懸索橋「虎門大橋」異常抖動的視頻在網絡上引發熱議。點擊播放 GIF 0.0M很多博主都在科普文中提到「卡門渦街」與塔科馬海峽大橋。那「卡門渦街」又是如何懸索橋抖動聯繫在一起的呢?塔科馬海峽大橋就是不得不被提及的一環。或者也可以說是馮·卡門與塔科馬海峽大橋的「恩怨情仇」1940年,馮·卡門用空氣動力學進行了一次最驚人的「冒險」。此事起因於報紙上一條引人注目的大標題:「塔科馬海峽大橋坍塌。」
  • 虎門大橋今早還在抖!卡門渦街是什麼?
    廣東省交通集團6日凌晨通報稱,專家組判斷,虎門大橋5日發生振動系橋梁渦振現象,並認為懸索橋結構安全可靠,不會影響虎門大橋後續使用的結構安全和耐久性。6日凌晨,記者在虎門大橋管理中心實時監控畫面看到,大橋仍有肉眼可見的輕微振動。 另據新京報,截至6日上午11時,渦振仍未停止。
  • 虎門大橋的「渦振」是什麼?為什麼會持續抖動?
    昨天虎門大橋上了熱搜,大橋監控視頻中可以看到,橋面猶如小編隔離後長出的肉肉肚皮般一起一伏,十分規律。  等等,大橋都抖成這個樣子了,會塌嗎?  仔細一想,虎門大橋連前年的「風王」颱風山竹都扛過去了,這也不是啥厲害的風,咋就抖得這麼明顯?  以及,好奇一問:在上面開車是種什麼體驗?
  • 讓虎門大橋持續抖動的渦振到底是什麼鬼?
    仔細一想,虎門大橋連前年的「風王」颱風山竹都扛過去了,這也不是啥厲害的風,咋就抖得這麼明顯?以及,好奇一問:在上面開車是種什麼體驗?帶著以上疑問,小工扒拉著中國天氣網首席氣象分析師胡嘯,決定今晚加更一篇,來給大家捋一捋,虎門大橋究竟咋回事。
  • 廣東虎門大橋晃動是什麼原理?美國塔科馬大橋曾被微風摧毀
    5月5日下午,廣東虎門大橋發生異常抖動,不少過往群眾表示整個大橋像波浪一樣「起起伏伏」地搖晃,各大平臺均熱議。官方回應:虎門大橋晃動原因:受主橋風速大影響產生渦振。據風力數據,發現虎門大橋站15-17時基本都有6-7級大風維持。一般瞬時風6-7級比較常見,持續兩個小時,還是比較少見的。
  • 虎門大橋抖動,應是卡門渦街惹的禍!
    據廣東省公安廳交管局的消息,2020年5月5日下午3點30分左右,由於風速大,虎門大橋出現搖晃,為確保安全,虎門大橋現已封橋,不能通行。 目前,大量車輛湧入虎門威遠,虎門交警已調派大量警力在現場指揮疏導交通,分流車輛向莞佛高速、沿江高速行駛。 網友拍攝視頻
  • 李永樂老師揭秘:虎門大橋渦振與錢學森老師有什麼關係?照片曝光
    >小編的話:5月5日,「虎門大橋」發生異常抖動登上熱搜,部分專家認為:「對虎門大橋進行維護時安裝了水馬,影響了風的運動,才讓大橋發生了渦振。」100年前,著名空氣動力學家、錢學森的導師馮.卡門發現了流體通過阻流體時,會形成交替漩渦的現象,稱為「卡門渦街」,「卡門渦街」激發阻流體的振動,這就是渦振。渦振可以是有益的也可以是有害的,人們利用渦振可以製造風弦琴、流速計,但是持續強烈的渦振也會影響建築物安全,例如1940年,美國「塔科馬大橋」經過4個月的渦振之後,大橋發生顫振並最終倒塌!
  • 利用SOLIDWORKS Flow Simulation還原虎門大橋為何抖動?
    虎門大橋抖動發生背景2020年5月5日,網友爆料稱虎門大橋發生異常抖動,從拍攝的視頻來看大橋的橋面在大風影響下像波浪一樣起伏不定,隨後大橋被關閉。解釋大橋為什麼會抖動呢?早在1940年,著名的塔科馬大橋就以親身經歷給我們展示了這種抖動的原因,具體感興趣的朋友可以自行搜索,而當時的設計者萊昂·莫伊塞夫的職業生涯也走到了盡頭。利用SOLIDWORKS Flow Simulation還原虎門大橋為何抖動?
  • 虎門大橋兩次晃動是什麼原因導致?美國大橋曾因這個效應晃到斷裂
    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。
  • 硬核科普:是什麼導致了虎門大橋振動,卡門渦街?
    據廣東省公安廳交管局的消息,2020年5月5日下午3點30分左右,由於風速大,虎門大橋出現搖晃,為確保安全,虎門大橋現已封橋,不能通行。目前,大量車輛湧入虎門威遠,虎門交警已調派大量警力在現場指揮疏導交通,分流車輛向莞佛高速、沿江高速行駛。
  • 虎門大橋抖動與美國大橋坍塌原因一致,是這兩個因素
    5月5日,廣東虎門大橋發生異常抖動,事後專家第一時間前往調研研判,認為在橋邊新裝的水馬改變了大橋的空氣力學特性,使得大橋在特定風力下產生的卡門渦街,脫落渦施加於橋面力的頻率與大橋的共振頻率一致,使橋發生共振,導致大橋上下抖動。
  • 渦振到底是什麼?怎麼會讓虎門大橋發生波浪式振動?
    渦振到底是什麼?又是怎樣使虎門大橋產生波浪式振動的?我們今天就來了解一下。 從流體的角度來分析,任何非流線型物體,在一定的恆定流速下,都會在物體兩側交替地產生脫離結構物表面的旋渦。相似的有卡門渦街效應。
  • 為什麼大橋會出現異常抖動?
    除了整齊的步伐之外,大風吹過橋梁也會造成大橋抖動,並有可能引發劇烈的共振現象,這涉及到卡門渦街效應。1940年,橫跨塔科馬海峽的塔科馬海峽懸索橋建成通車。然而,僅過了幾周,橋面就開始出現異常的抖動。經過幾個月的搖擺之後,塔科馬海峽大橋的橋面最終扭曲斷掉,大橋發生垮塌。
  • 虎門大橋因劇烈晃動而封閉?是因為天氣影響還是……
    5日下午,廣東虎門大橋發生異常抖動,不少過往群眾表示整個大橋像波浪一樣「起起伏伏」地搖晃,引發熱議。隨後,大橋管理部門封閉了大橋。小編認為這是一個非常典型的卡門渦街現象,罪魁禍首很有可能就是橋梁維護中安放的這一排水馬,一種用於分割路面或形成阻擋的塑制殼體障礙物。
  • 怎樣使虎門大橋產生波浪式振動的?
    渦振到底是什麼?又是怎樣使虎門大橋產生波浪式振動的?我們今天就來了解一下。 什麼是渦振 從流體的角度來分析,任何非流線型物體,在一定的恆定流速下,都會在物體兩側交替地產生脫離結構物表面的旋渦。相似的有卡門渦街效應。 卡門渦街原理圖 比如在水流中插一根木樁,在特定條件下木樁下遊的兩側,會產生兩道非對稱排列的旋渦。
  • 流體力學解釋虎門大橋的震動
    卡門渦街是流體力學中重要的現象,在自然界中常可遇到,在一定條件下的定常來流繞過某些物體時,物體兩側會周期性地脫落出旋轉方向相反、排列規則的雙列線渦,經過非線性作用後,形成卡門渦街。如水流過橋墩,風吹過高塔、煙囪、電線等都會形成卡門渦街。
  • 虎門大橋異常振動背後的原理:什麼是渦振和顫振?
    5月5日下午,廣東虎門大橋發生異常抖動。不少過往群眾表示,整個大橋像波浪一樣起起伏伏的搖晃引發熱議。隨後,大橋管理部門封閉了大橋。橋梁專家稱:本次橋梁振動屬於「渦振」現象,渦振是渦激振動的簡稱。是由於流體經過障礙物後的渦流周期性脫落而引發的橋梁共振現象。
  • 大橋像麵條一樣扭動?這個物理學家80年給出了答案
    5月5號,虎門大橋因為劇烈晃動而封閉,一度上了新聞熱搜榜。很多網友也紛紛猜測大橋晃動的原因是什麼。其實,這並不是記錄在案的第一起大橋晃動事件。早在80年前,就有類似的事件發生。1940年11月7日,美國塔科馬海峽發生了歷史上最為標誌性的吊橋垮塌事件。
  • 虎門大橋簡介建成時間哪一年 虎門大橋渦振是什麼意思
    建成20多年,曾獲多項創新大獎  異常晃動的虎門大橋怎麼了  5日下午,廣東虎門大橋發生異常抖動,不少過往群眾表示整個大橋像波浪一樣「起起伏伏」地搖晃,引發熱議。隨後,大橋管理部門封閉了大橋。  據了解,相關領域專家已趕赴現場。
  • 卡門渦街
    當流體流經一個物體的時候可以形成卡門渦街,這種旋渦可能會引起物體的振動。