虎門大橋的“渦振”是什么？為什么會(huì)持續(xù)抖動(dòng)？

　　昨天虎門大橋上了熱搜，大橋監(jiān)控視頻中可以看到，橋面猶如小編隔離后長(zhǎng)出的肉肉肚皮般一起一伏，十分規(guī)律。

　　等等，大橋都抖成這個(gè)樣子了，會(huì)塌嗎？

　　仔細(xì)一想，虎門大橋連前年的“風(fēng)王”臺(tái)風(fēng)山竹都扛過去了，這也不是啥厲害的風(fēng)，咋就抖得這么明顯？

　　以及，好奇一問：在上面開車是種什么體驗(yàn)？

　　帶著以上疑問，扒拉著中國(guó)天氣網(wǎng)首席氣象分析師胡嘯，決定加更一篇，來給大家捋一捋，虎門大橋究竟咋回事。

　　虎門大橋當(dāng)然沒有塌，而且如果你有關(guān)注這事，現(xiàn)在應(yīng)該至少get到了一個(gè)名詞——渦振。

　　是的，這次虎門大橋持續(xù)又明顯的抖動(dòng)學(xué)名叫渦振。它指橋梁在平均風(fēng)作用下，有繞流通過實(shí)腹梁橋斷面后交替脫落的渦旋引起的振動(dòng)。

它包含了兩個(gè)條件：①渦旋引起振動(dòng)；②共振。

　　懵了？沒關(guān)系，先看下圖。

　　我們把圖中方塊想象為橋梁橫截面，風(fēng)從左側(cè)吹過橋梁，由于橋面阻擋，之后會(huì)在橋梁后部（也就是圖中右側(cè)）形成波浪式的氣流，其中還有一個(gè)個(gè)渦旋（如下圖紅綠圈）。

　　這些渦旋產(chǎn)生了上下相對(duì)的力，當(dāng)這種力作用于中間的橋面，并且振動(dòng)頻率與橋梁本身的振動(dòng)頻率一致形成共振時(shí)，我們就看到了橋面明顯的起伏。

　　▲上圖可以看到風(fēng)從右邊往左吹，在橫板的左下放形成了一個(gè)順時(shí)針轉(zhuǎn)的漩渦，漩渦卷上部的氣流拽著這個(gè)橫板往下走，等于對(duì)橋面施加了向下的作用力。

　　▲這張圖則相反，漩渦施加了個(gè)向上的力。

　　事實(shí)上，這種渦旋影響不只會(huì)作用于橋梁，它正是流體力學(xué)中重要的現(xiàn)象——“卡門渦街”。

　　*“馮卡門漩渦”(Von Karman vortices)，通常稱為卡門渦街，是流體力學(xué)中重要的現(xiàn)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(shí)，物體兩側(cè)會(huì)周期性地脫落出旋轉(zhuǎn)方向相反、排列規(guī)則的雙列線渦，由于非線性作用，形成“馮卡門漩渦”。如水流過橋墩，風(fēng)吹過高塔、煙囪、電線等都會(huì)形成。

　　想了解更多可以前往國(guó)家衛(wèi)星氣象中心的友號(hào)“風(fēng)云衛(wèi)星”一探究竟。

▲圖為FY-4A靜止氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到的卡門渦街（2019年1月21日9:00-14:30北京時(shí))。注意看，圖中那一列對(duì)稱的圈圈云，就是冷空氣吹著云層掠過韓國(guó)濟(jì)州島后形成的卡門渦街了。

　　衛(wèi)星云圖里的濟(jì)州島就相當(dāng)于虎門大橋橫截面，被風(fēng)吹著跑的云就相當(dāng)于吹拂虎門大橋的風(fēng)，就形成了我們?nèi)庋劭梢姷呐帕幸?guī)則的渦旋云們。

說到這里，只是解釋了所有橋梁都會(huì)面臨的問題：卡門渦街。

但要形成虎門大橋那樣明顯的抖動(dòng)，還有個(gè)重要條件——共振。

　　還記得上物理課老師講的士兵列隊(duì)齊步過橋，結(jié)果橋塌了的故事嗎？那就是士兵整齊的步伐形成的振動(dòng)與橋梁自振頻率一致形成共振的結(jié)果。

　　事實(shí)上，橋梁渦振可以說就是一種有限振幅的共振。

　　虎門大橋辦公室副總工程師張?chǎng)蚊粼诮邮苎胍曅侣劜稍L時(shí)表示，渦振并非風(fēng)大就能出現(xiàn)，5日發(fā)生第一次渦振時(shí)，虎門大橋上風(fēng)力也只有5級(jí)左右；它是特定、穩(wěn)定風(fēng)速下，風(fēng)吹過橋面時(shí)、與橋的自振頻率一致形成了的共振，才會(huì)出現(xiàn)的結(jié)果。

　　風(fēng)太大了也不行，可能變成威脅橋梁結(jié)構(gòu)的顫振；風(fēng)小了也不夠，無法形成共振，沒法出現(xiàn)這么肉眼可見的抖動(dòng)。

　　▲事實(shí)上，經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，虎門大橋曾在邊護(hù)欄連續(xù)設(shè)置水馬，改變了鋼箱梁的氣動(dòng)外形，影響了風(fēng)吹過橋面形成渦旋的作用力。

　　所以，要消除虎門大橋的抖動(dòng)，打破共振就可以了。像當(dāng)今天大橋拆除了水馬，加之風(fēng)速減弱，渦振就開始減弱。

　　不過就像晃動(dòng)的繩子失去擺動(dòng)源動(dòng)力后不會(huì)立即停止一樣，打破共振后，抖動(dòng)也不會(huì)立即停止。而且，如果之后風(fēng)又神奇地穩(wěn)定在一定值域，且與橋梁達(dá)成共振，那么虎門大橋再抖起來，也不是不可能。

　　現(xiàn)在，讓我們回到開始的那個(gè)問題——在這抖動(dòng)的橋面上開車是種什么體驗(yàn)？

　　虎門大橋辦公室副總工程師張?chǎng)蚊舯硎荆绻咴谏厦鏁?huì)有暈船的感覺，而如果快速開車通過則不會(huì)有明顯感覺。但出于安全考慮，咱們還是聽交警的話，老實(shí)繞路吧。

　　由于卡門渦街影響的普遍存在

　　現(xiàn)代橋梁在設(shè)計(jì)建造的時(shí)候

　　都考慮了流體對(duì)橋梁的共振影響

　　雖然對(duì)懸索橋梁來講，渦振并非罕見

　　但要到達(dá)成這樣條件的風(fēng)也不是天天都有的

　　所以大家也不用太過擔(dān)心