什麼原因導致虎門大橋晃動,可能短時間內搞不清楚_風聞
你相信光吗-爱比丽屋2020-05-06 20:34
授權轉載自微博@科普君XueShu雪樹
虎門大橋最近的擺動視頻在網上熱傳,如下圖,初步分析是由渦振導致的。


所謂渦振就是渦旋導致的振動。
渦旋是怎麼產麼產生的?一個主要可能原因是卡門渦街。水或風等流體,流過一個物體的時候,正常來講是比較平滑順暢的,就像下圖中的雲流過富士山一樣。

但是滿足一定條件的特殊情況下,會產生兩種旋轉方向相反的渦旋,不斷髮射出去,並列在一起。像是一條街道。如下圖。
這就是卡門渦街。這裏的卡門就是馮卡門,錢學森在美國的導師。這個現象幾百年前就有人發現了,但是馮卡門第一次給出了正確的理論分析。
這個渦街如果不太對稱,就會導致某種受力不均勻,從而擺動。這個擺動的方向是和水流或風速的方向垂直的。
美國的塔科馬大橋在上世紀40年代被風吹塌了,這是工程史上的大災難。有人解釋是因為卡門渦街。但這個解釋很有爭議。你看虎門大橋是垂直的擺動,而下圖中的塔科馬大橋是左右扭動。
更好的解釋是氣動彈性顫振。這種顫振也會在橋面上下產生渦旋,但是跟卡門渦街有區別,因為被風吹過的物體(大橋本身)也在大幅度運動。如下圖。

科馬大橋平時也會有類似虎門大橋的垂直襬動,但不致命。致命的是最後一次的左右扭動。
塔科馬大橋這種級別的致命錯誤,現在是很難出現了。在橋樑設計允許範圍內的上下襬動,應該是沒危險的。
虎門大橋這次擺動,從目前流出的信息看,專家只猜測説可能是大橋中間的水馬安放不當導致的,而且還很不確定。這種説法就很有意思了。如果是水馬(如下圖),那它們所直接引起的卡門渦街不足以帶動整個大橋。而這又明顯不是左右扭動的振顫。

如果確實與水馬有關,也許因為大風吹過水馬後,在周邊形成了渦旋,這些渦旋改變了周圍的氣壓。導致大橋上下形成壓力差,引起垂直襬動,但又不足以引起振顫。當然,這裏只是隨手一猜,缺乏數據支持和理論驗證。不過這個問題本身,可以做一篇博士論文了。理論建模、數值模擬和風洞實驗,夠一個博士生折騰幾年了。
具體這次是由什麼原因導致的,我猜可能最後大概率沒法短期內得出確定結論。原因可能跟工程問題的複雜性和工程師文化有關。他們一般不像物理學家那樣愛鑽牛角尖。一個東西能work,就很滿意了。
美國塔科馬大橋,這麼慘重的災難,按理説原因應該搞得很清楚了吧。其實不然,災難發生五十年後,兩個物理學家Billah 和Scanlan發現,絕大多數大學工程學教科書上的解釋都是明顯錯誤的。六十年後,Allan Larsen才建立了一個被實驗和數值模擬都支持的靠譜物理模型。
塔科馬大橋,在最後一次倒塌前,經歷了次數極多的上下垂直振動。最後一次大幅度的左右扭動,也晃了45分鐘才塌。所以目前虎門大橋這種情況,可能屬於小概率事件,可以先進一步觀察,不必太過大動干戈。
生活中很多事情都是沒必要非得尋根究底的。
就像一個段子説的,搞理論的,know everything but nothing works,搞實踐的,everything works but no one knows why.。
參考資料:
Resonance, Tacoma Narrows bridge failure, and undergraduate physics textbooksK. Yusuf Billah and Robert H. Scanlan, Am. J. Phys. 59, 118 (1991);
Allan Larsen,Aerodynamics of the Tacoma Narrows Bridge - 60 Years Later,Structural Engineering International