是什么导致了虎门大桥的振动？

1.虎门大桥简介

      虎门大桥（Humen Bridge）是中国广东省境内一座连接广州市南沙区与东莞市虎门镇的跨海大桥，位于珠江狮子洋之上，为珠江三角洲地区环线高速公路南部联络线（原莞佛高速公路）的组成部分。

图1：虎门大桥地理位置

      虎门大桥于1992年10月28日动工建设；于1997年6月9日建成通车；于1999年4月20日通过竣工验收。线路全长15.76千米，主桥全长4.6千米；桥面为双向六车道高速公路，设计速度120千米/小时；工程项目总投资额30.2亿元人民币。

      虎门大桥工程是连接珠江东、西两岸，广东省东、西翼的重要交通枢纽，是贯穿深圳、珠海、香港、澳门的咽喉；大桥的建成使东莞、深圳以及粤东地区到珠海、中山江门粤西地区的交通无须绕道，行车里程可缩短一百二十多千米，对广东省的经济发展和珠江三角洲的腾飞有着十分重要的意义。

图2：虎门大桥

2.事件经过

      广东省交通集团6日凌晨通报称，专家组判断，虎门大桥5日发生振动系桥梁涡振现象，并认为悬索桥结构安全可靠，不会影响虎门大桥后续使用的结构安全和耐久性。6日凌晨，在虎门大桥管理中心实时监控画面可以看到，大桥仍有肉眼可见的轻微振动。

图3：虎门大桥振动实景

      据初步判断，虎门大桥悬索桥本次振动主要原因是，由于沿桥跨边护栏连续设置水马，改变了钢箱梁的气动外形，在特定风环境条件下，产生的桥梁涡振现象。

      大跨径悬索桥在较低风速下存在涡振现象，振动幅度较小不易察觉，仅在特殊条件下会产生较大振幅，不影响桥梁结构安全，会影响行车体验感、舒适性，易诱发交通安全事故。

图4：水马：一种用于分割路面或形成阻挡的塑制壳体障碍物

      目前，虎门大桥管养单位已紧急开始对大桥进行全面检查检测，大桥继续施行双向封闭。交通运输部已组建专家工作组到现场指导。

3.原理浅析

3.1 风对桥梁的作用总述

      在工程学上，桥梁的气动失稳问题可以简单理解为：桥梁在风载荷作用下丧失保持稳定平衡的能力。气动失稳问题是一直大跨度桥梁建设过程中的难点和要点。大跨度桥梁细长的结构外形、轻柔的结构特性，使得它们对风的作用尤为敏感。

      风对桥梁结构的作用可以分为静力作用和动力作用。当桥梁跨度较小时，结构刚度较大。桥梁在风中基本保持静止，风对桥梁的作用体现为静力作用。当桥梁跨度逐渐增加时，结构刚度也随之减小，容易在风中振动，此时，风对桥梁的作用体现为动力作用。

图5：悬索桥

      动力作用下，当桥梁振幅较大时，振动的结构会反过来影响风场，形成风与结构的相互作用（即自激振动）。

      而颤振和涡振作为在桥梁工程中被广泛研究的两种自激振动，二者均能对桥梁的结构和功能产生不同程度的危害。如何抑制颤振和涡振等气动失稳效应一直是桥梁抗风设计的热点和难点问题。

3.2 颤振

      颤振是人们最早认识到的气动弹性现象之一，最早见于机翼颤振。颤振指的是：弹性结构在流体（气体&液体）中受到动力、弹性力和惯性力的耦合作用（可简单理解为共同作用）而发生的大幅度振动。

 图6：机翼

      在调查旧塔克马桥风毁事件之时，人们发现从1818年到1940年，由于风引起的桥梁振动已经至少毁坏了11座悬索桥。从此以后，颤振开始被桥梁工程师们所重视。

 “旧塔克马桥风毁事件”：1940年，美国华盛顿州塔克马桥因风振致毁。该桥主跨长853.4m，全长1810.56m，桥宽11.9m，梁高1.3m。通过两年的施工，于1940年7月1日建成通车。由于当时人们对相关空气动力学知识的认识尚不深入，该桥的梁型设计极其不合理。导致在中等风速（19m/s）下结构就发生破坏。好在在桥梁封闭之前提前封闭了交通。据说在出事那天，一位记者把车停在了桥上，只把一条狗留在车内。桥倒塌时，只有他本人跑到了桥台处。当地的报纸以简洁的标题对这场事故做了报道，“损失：一座桥、一辆汽车、一条狗”。

      颤振的本质是动力学失稳现象，即当风速超过桥梁能承受的风速的临界值，也就是颤振临界风速后，桥梁结构与周围绕流所形成的振动系统的阻尼在相互反馈过程中由正值趋向于负值（这句话没看懂也不影响阅读），即桥梁从风中吸收的能量超越了阻力消耗的能量，使桥梁的振幅不断扩大以致结构垮塌。

      一般来说，桥梁的跨度越大，刚度越小，越容易发生颤振。在梁式桥、拱式桥、斜拉桥和悬索桥四大桥梁结构形式中，悬索桥拥有最强的跨越能力，也最容易出现颤振问题。

图7：斜拉桥

      斜拉桥受空间索面的约束，颤振临界风速通常较高，颤振问题较悬索桥小，但也并非可以忽略。当桥梁气动外形设计不合理时，也存在颤振的危险（如主跨605ｍ的青州大桥）。而拱式桥和梁式桥由于跨度较小，一般不易出现颤振问题。

      由于颤振极其危险，桥梁从施工建造到正常运营的过程中都必须严格杜绝颤振发生。旧塔克马桥发生风毁事故之后，抵御颤振的设计成为了大型桥梁设计的必要环节。

3.3 涡振

      涡振是一种兼具自激（在没有外加干预的情况下自行产生的恒稳和持续的振荡）和强迫（外力作用）特性的自限幅振动（最大振动幅度被其它因素限制）现象。从流体的角度来分析，任何非流线型物体，在一定的恒定流速下，都会在物体两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡（指的是流体的旋涡），由此产生对结构的周期性的强迫力。（涡振的产生原理）

      在特定情况下（漩涡脱落的频率与桥梁某阶模态频率吻合时），会导致桥梁出现较大幅度的振动。有关学者整理了世界范围内桥梁发生涡振的一些工程案例，发现主梁涡振的发生和发生后的振幅大小与桥梁类型和跨径并无直接联系。这与颤振问题主要集中在大跨度缆索承重桥梁中有明显的区别。

图8：梁式桥

      据专家组判断，本次虎门大桥的振动就属于涡振。虽然涡振具有自限幅特性，不会像颤振一样直接引起结构的动力失稳破坏（如桥梁垮塌），但其发生风速较低，常常处于设计风速范围内；且大幅涡振会威胁行车安全并减少结构疲劳寿命，影响结构正常服役性能。因此，涡振抑制也是桥梁风工程的重点研究内容之一。

4.总结

      目前绝大多数桥梁的颤振、涡振问题均优先采用气动措施进行控制。设计得当的气动措施，可以很好地解决超大跨桥梁抗风安全储备不足的问题。但由于颤振、涡振对气动措施的形状、位置和实现细节较为敏感，不当的措施不仅不能起到抑制作用，甚至有可能导致桥梁的气动稳定性劣化。譬如此次虎门大桥振动的原因，据初步判断就是因为大桥跨边护栏连续设置水马，改变了桥梁的气动外形，导致了涡振。

图9：拱桥

       涡振颤振受到许多因素影响，而且很多影响因子对结果的影响是非线性(关系比较复杂)的，导致具体分析过程十分复杂。研究人员往往要通过较大的代价进行气动措施优化（即优化桥梁的结构），寻找某一特定桥梁颤振、涡振问题的解决方案。

      实际工程项目中，由于同一气动措施针对不同的桥梁会产生不同的效果，令研究人员较难把握其优化方向，给试验研究带来不便。

      例如，稳定板作为一种常见的颤振控制措施，许多学者都对其进行了研究。例如对润扬长江大桥颤振性能的研究发现，上稳定板的颤振控制效果优于下稳定板；而研究颗珠山桥的抗风性能的学者却给出了相反的结论，发现下稳定板在颤振控制中起到了决定性作用。

图10：润扬长江大桥

      这也就是为什么，并不是所有放置了水马的桥梁都会发生涡振。

      在工程学上，许多大型建筑在建造之前都要计算和风洞模型试验，提前预判风会对建筑物造成的影响。一般而言，放水马这种小的改动之前不会进行风洞试验，因此出现了在做放水马的改动后，虎门大桥开始“跳舞”的情况。不过涡振本身并不会对桥梁的结构造成严重的破坏。根据推测，撤掉大桥两边的水马情况就会好转，由于惯性还会有一段时间的振动。（当然，由于影响大桥振动的影响因子较多，这个“惯性”比日常生活中我们理解的“惯性”更复杂一些）。

图11：颗珠山大桥

      至此我们已经了解了虎门大桥振动的大概的起因和解决办法，由于没有第一手的虎门大桥的数据和足够的专业知识，作者无法做出更专业更权威的论断，期待官宣虎门大桥振动已解决的时刻。

参考文献：

李玲瑶：《基于可靠度理论的桥梁涡激振动概率性评价》

赵林：《大跨桥梁主梁风致稳定性被动气动控制措施综述》

龚慧星：《大跨度桥梁主梁涡激振动展向效应试验研究》

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