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郭亮科普中国
本文专家:郭亮，中国科学院力学研究所柔性电子技术实验室主任
5月5日15点32分左右，广东虎门大桥发生异常摇晃，引起了网民的关注。
有关部门对虎门大桥实行交通管制，大桥在发布消息之前一直关闭。
从上图可以看出，大桥桥面出现了轻微起伏的波浪。
根据专家小组的初步评价，虎门大桥这次振动的主要原因是沿着桥的护栏连续设置水马，改变钢箱梁的气动外形，在特定的风环境条件下产生了桥梁的涡流振动现象。
那么，桥梁的涡旋振动现象是什么？ 这样的桥的摇晃真的是个例子吗？ 历史上真的有大风把桥吹走的例子吗？ 今天听刨根问底。
什么是涡振动现象？
涡的全名是涡振动，是指气流在绕过钝体结构时，产生周期性的涡脱，产生周期性上下交替变化的涡力。 这个漩涡脱落时的频率根据风速而变化，也取决于桥的主梁的高度，当这个频率接近结构自激振荡频率时，漩涡的脱落和结构振动互相锁定，形成共振现象。
为了完全理解漩涡现象，首先必须明确卷入其中的两个重要物理概念。 一个叫卡门涡流路，一个叫共振。
卡尔曼漩涡列:指在绕过有一定条件下稳定流动的物体时，物体的两侧周期性地旋转方向相反，规则的双线漩涡脱落。
你不擅长定义吗？ 排球扔向空中，风从左向右吹。 风吹到排球后，分成排球，然后在排球的右侧再次汇合。 风大时，风在排球的右侧来不及合流，会产生漩涡。 这个漩涡是卡门漩涡。
生活中流体的这种现象其实非常普遍，比如桥墩后面不适合游泳是卡门涡流路引起的。
共振:物体以特定频率、比其他频率大的振幅振动的情况。 这个特定的频率称为共振频率。
19世纪初，法国士兵队在指挥官的密码下，以整齐的步伐过桥。 到了桥中间，桥突然发生强烈摇晃，同时最终破坏倒塌，很多官军和市民死亡。
人踩地面的力量显然不会踩死桥，为什么会发生这样的事件？ 这是因为部队这么多人步伐一致行走的频率正好与桥梁自己的频率一致，引起共振，最终崩溃。 之后，军队不允许通过桥以统一的步伐前进，不产生共振。
军事训练中过桥教官一定能命令走
至此可以解释虎门大桥摇晃的原因:当天出现的特定风环境，在桥的主梁上形成卡门涡流路，由于该涡流路的振动频率正好接近桥本身的拥有频率，所以会发生涡流现象，桥在摇晃。
“罪魁祸首”的水马起了什么作用？
水马是用于分割路面、形成块状的塑料框体障碍物，一般为上下大的结构，上方有洞，注水变重。 这样很长时间:
虎门大桥最近因为进行检查和保养事业，所以放置了很多水马。 这些不太大的水马能把桥震成这样吗？
虽然说涡振动的主要原因是卡尔曼涡，但是在桥面上放置水马后，桥面的空气动力性发生了变化，容易形成涡，涡的振动频率也发生了变化，正好接近桥的自由频率发生了振动。
如图所示，将水马放在桥的一侧，用计算机模拟了水马对桥横截面二维空气动力性能的影响。 结论:有水马时，尾缘及底板附近存在更明显的漩涡。
也许有人会提出疑问，桥上还有那么多车，为什么车不会产生涡流？
水马规格统一，而且整齐地排成一列，但汽车尺寸不同，中间有间隙，因此无法在桥整体的长度方向上形成统一的空气动力影响。
回想上一句法国军队步伐一致桥塌了的例子。 把水马整齐地放在桥上就像一群人在桥上走。 频率接近桥的自己频率可能很危险。 车在桥上行驶就像人群杂乱无章地走着，不会对桥造成威胁。
其实在桥梁设计和建设时，考虑到不产生漩涡，现代桥梁通常以桁架结构为桥梁的侧面，这样刮侧风后形成的漩涡频率不一致，不会引起共振现象的出现。
大桥的摇晃就是一个例子吗？
设计桥梁时，必须考虑风的影响。 大桥在特定环境风速下的振动，只要在设计范围内就安全正常。
今年4月26日，武汉鹦鹉州长江大桥也因环境风扰动而给桥体带来了一定的摇晃。 这个摇晃在专业的评价机构认定后，确认在允许的设计范围内，没有安全上的担心。
年5月19日晚，俄罗斯莫斯科伏尔加河大桥也发生了风浪，桥摇晃剧烈，像波浪一样起伏，整个桥也出现了比较大的左右摇晃，行驶在桥上的车辆也一边滚动一边摇晃。 但是大桥停止振动后，专家发现桥梁没有裂缝，没有损伤。
日本东京湾的通道桥也发生了同样的振动，当时的主桥以16~17米/秒的风速发生了垂直涡振动现象，达到了中振幅50厘米。
桥摇晃一定会发生什么可怕的事情，只要在设计允许的范围内就没关系。
大风真的能毁桥吗？
先说答案——是的。 美国有名的塔科马桥倒塌就是风致桥破损的例子。
塔科马海峡桥建成后，如果刮4英里/小时的小风，桥上就会有轻微的上下起伏。 1940年，大桥建成4个月后的8级风，大桥在风中疯狂扭曲，倾斜程度达到45度，随后崩溃沉入海峡。
从此，土木工程界充分认识到空气力学对桥梁的影响，以后的所有大型桥梁都要进行抗共振能力的检查。
之后，塔科马海峡桥重建，道床厚度增加到10米，路面上有气孔，空气可以横穿路面，防止卡门漩涡的发生，是现在美国第五长的悬索桥。
其实，塔科马桥倒塌的原因是颤振，颤振是风速高时发生的振动，对桥梁的威胁很大。
但是，塔科马大桥事件后，世界桥梁技术人员已经重视这个问题，同时在设计时设法不使用。 如果像虎门大桥那样发生颤振，风速需要79米/秒以上，相当于18级大风。 很明显，这不会在实际生活中出现。
海上台风通常也没有达到18级，登陆后更是如此
如上所述
桥是考虑风的影响而设计的
随便被风吹不垮
大家在大风天过桥时不要担心。
原题:“持续摇晃虎门大桥到底是什么？ 风真的能毁了桥吗？ 怀疑解除了”
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