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。