【虎門大橋異常振動】何謂渦振現象 1940年相同情況曾致美國塌橋

撰文:葉琪
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虎門大橋在周二(5日)下午發生異常振動,橋面非常明顯地如同波浪一般上下抖動,路牌及欄桿也隨之搖晃,乃至當天晚上亦再有「餘震」。
專家組解釋大橋振動是「渦振」現象,相信原因是大橋橋面正進行維修施工,兩旁擺放有1.2米高的水馬,使鋼箱梁的氣動外形被改變,破越斷面的流線型,故現時已陸續將水馬拆除。

大橋橋面當時正進行維修施工,兩旁擺放有1.2米高的水馬,因而使鋼箱梁的氣動外形被改變,破越斷面的流線型。(微博)

所謂「渦振」現象,據內地傳媒引述哈爾濱工業大學深圳校區柳成蔭、肖儀清和顧磊等專家學者的解釋,其是一種兼有自激振動和強迫振動特性的有限振幅振動。當現場風速達到每秒8米左右時,就會引發渦振。專家學者指,橋梁渦振的有限振幅計算是一個十分重要但又異常困難的問題,目前學界尚未有一套較為完整的分析理論。

渦振現象即是流體動力學中的「卡門渦街」(Kármán vortex street),在自然界中常可遇到。具體而言,在流體中安置阻流體,在特定條件下就會出現不穩定的邊界層分離,產生兩道非對稱地排列的旋渦。其中一側的旋渦順時針方向旋轉,另一側的旋渦就逆時針反方向旋轉。兩排旋渦相互交錯排列,同時各個旋渦中間點對齊,如街道兩邊的街燈般。此種交替的渦流,使阻流體兩側流體的瞬間速度不同,由於速度不同,阻流體兩側受到的瞬間壓力也不同,因此使阻流體發生振動。

白點是阻流體,綠色及紫色部分是流體。在流體中安置阻流體,在特定條件下就會出現不穩定的邊界層分離,產生兩道非對稱地排列的旋渦。(網上圖片)

1940年,在美國華盛頓州的塔科馬海峽吊橋(Tacoma Narrows Bridge),由於設計為求美觀及節省金錢,使用過輕的物料,造成其發生共振的破壞頻率,與卡門渦街接近。吊橋橋面厚度不足,在受到強風的吹襲下引發卡門渦街,使橋身擺動。當卡門渦街的振動頻率和吊橋自身的固有頻率相同時,結果就導致吊橋劇烈共振並崩塌。

塔科馬海峽吊橋在1940年因卡門渦街而倒塌。(資料圖片)

但中國著名橋梁結構專家葛耀君在受訪時指出,虎門大橋的異常振動並不會對其剛性結構產生影響,也在安全範圍之內。武漢大學土木建築學院教授方正亦稱,懸索橋在設計時會有一個抖動的安全範圍,「肉眼可見的上下起伏,也是正常的,只要在一定範圍內就不會影響行車安全。」

(綜合報道)

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