为什么大桥会出现异常抖动？
火星科普2020-05-07 04:35
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随着现代悬索桥的出现，人类得以建造出越来越长的桥梁。悬索桥的跨度可以很长，能够跨过峡谷、大江、海峡，例如，横跨300多米深峡谷的中国矮寨特大悬索桥；杨泗港长江大桥的主跨长度可达1.7公里，这在世界悬索桥中位列第二，而在世界双层悬索桥中位列第一。
由于悬索桥的跨度长，这会带来一些空气动力学问题。当大风横向吹过悬索桥，桥面有可能会出现波浪式的晃动，这会让行经桥上的人感到非常不适。如果严重的话，桥梁还有可能被摇晃垮塌。
那么，为什么悬索桥会出现异常的抖动现象呢？
从物理学原理来讲，任何物理结构都存在一个固有频率。如果强迫振动的频率接近于物理结构的固有频率，就会引发共振现象。如果振幅足够高，结果会导致结构被破坏掉。
在19世纪，法国的一队士兵迈着相当整齐划一的步伐走过一座长100米的桥梁时，由于齐步走产生的频率与大桥的固有频率相吻合，导致大桥不断摇晃，然后出现共振现象。当士兵走到桥中间时，剧烈的共振现象引发桥梁坍塌，数百人落入水中丧命。
除了整齐的步伐之外，大风吹过桥梁也会造成大桥抖动，并有可能引发剧烈的共振现象，这涉及到卡门涡街效应。
当强风横向吹过桥面时，会在桥面上下两侧产生两道旋涡，它们的旋转方向相反，互相交错。由此会对桥面产生周期性强迫力，导致桥面出现晃动。这就是卡门涡街效应，由现代宇航科技之父冯·卡门最早阐明原理。
如果卡门涡街效应十分强烈，使得桥面振动幅度增大，最终达到桥梁的固有频率。结果就会出现共振现象，桥梁将会发生剧烈的振动，从而导致桥梁垮塌，这在现实中有发生过。
1940年，横跨塔科马海峡的塔科马海峡悬索桥建成通车。然而，仅过了几周，桥面就开始出现异常的抖动。经过几个月的摇摆之后，塔科马海峡大桥的桥面最终扭曲断掉，大桥发生垮塌。
根据塔科马海峡大桥模型的风洞测试，大桥崩塌的原因正是卡门涡街效应引发的剧烈共振现象。塔科马海峡大桥的桥面不够厚，使其无法承受强风造成的卡门涡街效应，最终风速为65公里/小时的大风吹垮了大桥。
此后，人们意识到，桥梁建造之前先要对模型进行严格的风洞测试。而且桥梁上还要设计一些气孔，破坏卡门涡街效应。10年之后，经过严格仿真测试的新塔科马海峡大桥又建起来，如今它还在正常通行。
现代桥梁的设计都会考虑到卡门涡街效应，以后基本上不可能会出现塔科马海峡吊桥那样的崩塌现象。
不过，在设计允许的范围内，桥面有时会出现一些上下起伏的波动，这种晃动是正常的涡激振动现象。其原因可能是由桥面的截面发生变化所致，例如，放置水马围挡。只要振动幅度不大，没有超过设计范围，大桥是不会有问题的。
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