从太空俯瞰智利海岸的卡门涡街
卡门涡街是有规律的周期性现象,也就是说漩涡的形成和侧向力的作用,是具有一定频率的。
下面我们来听听,
东莞理工学院校长马宏伟更专业的解答:
视频为马宏伟校长2018年秋季学期在《工程力学》课程中为机械工程类专业二年级学生授课,向学生科普了大桥抖动这一现象专业术语“卡门涡街”。
虎门大桥振动原因详解
广东省交通集团通报称,5月5日下午14时许,虎门大桥悬索桥桥面发生明显振动,桥面振幅过大影响行车舒适性和交通安全。广东省交通运输厅、省交通集团连夜组织国内12位知名桥梁专家召开专题视频会议,对虎门大桥桥面振动现象进行了研判。
专家组初步判断,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。
桥梁风工程研究专家葛耀君解释道:当前虎门大桥正在修吊杆和主缆,桥梁两边为防止车撞放置了临时挡墙,也就是俗话说的水马,水马改变了桥梁外形,原来桥梁结构是非常流线型的,加了(水马)就变得非常钝体了,所以容易引起涡振。他估计这次振动幅度为几公分或者十几公分,虽然看上去振动很大,但桥梁强度安全性没有问题。葛耀君表示,桥梁振动会让人觉得不舒服,车开上去也会有危险,所以要暂停车辆通行。解决办法就是,加了什么拿掉什么,短时间内或还会有振动,因为能量还没耗散掉。
水马,一种用于分割路面或形成阻挡的塑制壳体障碍物。
图为虎门大桥护栏边的水马
就是你开车经常能在路上看到的这个物体
水马实物图
这次事故中,水马改变了大桥的共振特性,当一定速度的风吹过,不大不小,刚刚好是风速8m/s,穿过大桥的气流会周期性地产生两串平行的反向旋涡,连续性的旋涡会对被绕的桥梁产生周期性浸染力,这种浸染力和大桥震动的频率接近时,就会产生共振。
共振越强,大桥摆动扭曲的幅度便会越大,好在共振不强,及时拆卸了水马,没有酿成桥毁人亡的事故。
根据现有掌握的数据和观测到的现象分析,虎门大桥悬索桥结构安全可靠,此次振动也不会影响虎门大桥悬索桥后续使用的结构安全和耐久性。
但这也在一定程度上暴露出了我们在桥梁养护过程中,缺乏足够的专业人员指导,忽视了桥梁的特性。
历史上的事故
桥梁的共振,专业名词叫“机械共振”——每个物体都有一个特别的固有频率,当外界作用给这个物体的频率恰好等于这个固有频率时,物体就会产生超出平常的位移,形成共振。
重量只可能压垮桥梁,不可能导致桥梁共振。如:去年的无锡高架桥坍塌事故,就是由于重量压垮所致,而非共振。
19世纪初,一队拿破仑的士兵在法国昂热市一座大桥迈着正步前进,走到桥中间时,桥梁突然自发地强烈颤动,随后断裂坍塌。事后经过调查,士兵的齐步走产生的频率刚好吻合了大桥的共振频率,导致了悲剧的发生。
一队士兵再重,也不至于让桥梁超重,没有超重却垮塌了,因为共振与超重无关,只与频率有关。
历史上最为著名的因共振而导致的桥梁倒塌事故当属美国的塔科马海峡吊桥事件——它既是现代桥梁建筑史上最为标志性的灾难,也成为物理学和工程学的经典研究案例。
1940年11月7日,技术人员在7:30测得风速为38英里/小时,两小时后增强至42英里/小时,而此时的塔科马海峡吊桥,桥面波浪形起伏已达1米多。疯狂的扭动使得路面一侧翘起达8.5米,倾斜达到45度。而这一切刚好被正在附近拍摄电影的团队收入镜头当中,留下了珍贵的影像。