虎門大橋的“渦振”是什么？為什么會持續抖動？

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

　　等等，大橋都抖成這個樣子了，會塌嗎？

　　仔細一想，虎門大橋連前年的“風王”臺風山竹都扛過去了，這也不是啥厲害的風，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？

　　帶著以上疑問，扒拉著中國天氣網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。

　　虎門大橋當然沒有塌，而且如果你有關注這事，現在應該至少get到了一個名詞——渦振。

　　是的，這次虎門大橋持續又明顯的抖動學名叫渦振。它指橋梁在平均風作用下，有繞流通過實腹梁橋斷面后交替脫落的渦旋引起的振動。

它包含了兩個條件：①渦旋引起振動；②共振。

　　懵了？沒關系，先看下圖。

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

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

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

　　▲這張圖則相反，漩渦施加了個向上的力。

　　事實上，這種渦旋影響不只會作用于橋梁，它正是流體力學中重要的現象——“卡門渦街”。

　　*“馮卡門漩渦”(Von Karman vortices)，通常稱為卡門渦街，是流體力學中重要的現象，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，物體兩側會周期性地脫落出旋轉方向相反、排列規則的雙列線渦，由于非線性作用，形成“馮卡門漩渦”。如水流過橋墩，風吹過高塔、煙囪、電線等都會形成。

　　想了解更多可以前往國家衛星氣象中心的友號“風云衛星”一探究竟。

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

　　衛星云圖里的濟州島就相當于虎門大橋橫截面，被風吹著跑的云就相當于吹拂虎門大橋的風，就形成了我們肉眼可見的排列規則的渦旋云們。

說到這里，只是解釋了所有橋梁都會面臨的問題：卡門渦街。

但要形成虎門大橋那樣明顯的抖動，還有個重要條件——共振。

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

　　事實上，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鑫敏在接受央視新聞采訪時表示，渦振并非風大就能出現，5日發生第一次渦振時，虎門大橋上風力也只有5級左右；它是特定、穩定風速下，風吹過橋面時、與橋的自振頻率一致形成了的共振，才會出現的結果。

　　風太大了也不行，可能變成威脅橋梁結構的顫振；風小了也不夠，無法形成共振，沒法出現這么肉眼可見的抖動。

　　▲事實上，經過調查發現，虎門大橋曾在邊護欄連續設置水馬，改變了鋼箱梁的氣動外形，影響了風吹過橋面形成渦旋的作用力。

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

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

　　現在，讓我們回到開始的那個問題——在這抖動的橋面上開車是種什么體驗？

　　虎門大橋辦公室副總工程師張鑫敏表示，如果走在上面會有暈船的感覺，而如果快速開車通過則不會有明顯感覺。但出于安全考慮，咱們還是聽交警的話，老實繞路吧。

　　由于卡門渦街影響的普遍存在

　　現代橋梁在設計建造的時候

　　都考慮了流體對橋梁的共振影響

　　雖然對懸索橋梁來講，渦振并非罕見

　　但要到達成這樣條件的風也不是天天都有的

　　所以大家也不用太過擔心