虎门大桥

浪里个浪

昨天下午，模友们的朋友圈，肯定都被“虎门大桥在风中摇晃”的视频刷屏了吧？

超模君看到这个视频的时候，懵得一头雾水，难道这就是传说中的“渣桥大波浪”？

为了搞清这里面的原因，超模君询问了一个土木工程专业的同学，他发了这样的一段视频给我：

看到这座在风中诡异扭动的大桥，超模君实在不敢相信自己的眼睛：“这晃得也太离谱了吧？这桥难道是橡胶做的？”

可事实上，这还不是它抖得最厉害的时候。

1940年11月7日，美国跨度853米的塔科马大桥，在区区8级风的作用下，发生剧烈的震动，竟然真的被吹垮了！

只要你体重大于80斤，八级风就是小意思。

要知道，这可是当时美国的第三大悬索桥，甚至还有“工程界的珍珠港”之称，距离第一次通车的时间，也不过4个月。

我们见过被超载货车压垮的，被洪水冲垮的，甚至还有在建造时就垮掉的，但这种被风吹垮的方式，真的是让人匪夷所思。

然而，一座大桥的倒下，却让后来的千千万万座大桥避免了类似的悲剧。

这次事件震动了世界的桥梁界，引发了科学家们对桥梁风致震动问题的研究。

科学家们发现，这种风致震动一般只会发生在悬索吊桥身上，就是我们通常看到的有两个大柱子，用各种各样的钢缆去拉着桥面的那种桥，像美国的金门大桥、塔科马大桥，还有我们的虎门大桥，都属于这种桥。

1937年通车的金门大桥

在发明这种桥之前，所有的桥都有非常多的桥墩，而这种桥只需要有两个或三个桥墩就可以了，相对来说自重更轻、更纤细优雅，因此跨度自然也能做得更大。

但是它同样面临一个劣势，老式的桥虽然说桥墩比较多，跨度比较小，却只需要考虑桥的载重问题，而这种新型的吊桥不仅要面临载重的问题，还需要考虑到侧风对于桥梁的影响。

因为支撑桥面的只有一捆捆钢索，而桥面本身是悬空的，所以我们可以把桥面考虑成飞机的机翼，风在吹过的时候，不仅仅有可能会产生涡流，有些时候甚至会产生升力。

但是像这种大桥一般都属于韧度非常好的钢结构构成的，所以那一点点升力对于桥来说并不会有太多的影响。

那么像塔科马大桥这种有规律的波浪，到底是怎么样形成的呢？

这就不得不提到著名的流体力学家――匈牙利犹太人冯・卡门（Theodore von Kármán）了。

冯・卡门

事实上，在塔科马大桥坍塌后，美国就组建了一个事故调查委员会，冯・卡门便是其中的一名成员。

1930年，刚刚移居美国的卡门，开始负责指导古根海姆气动力实验室和加州理工大学第一个风洞的设计和建设。

冯・卡门不仅是钱学森在加州理工的导师，还一起成立了喷气推进实验室（JPL），是现在NASA的核心。

风洞实验室

经过加州理工学院风洞内的一番模型测试，卡门认为，这次大桥事故的罪魁祸首正是“卡门涡街”引起的桥梁共振。

其实自然界中卡门涡街的现象很常见，举个最简单的例子，被山穿过的云层，在特定条件下，山两侧的云层会产生两道非对称排列的漩涡。这两道漩涡旋转的方向相反，交错排列，来回摆动。

那卡门涡街和塔科马大桥的坍塌有什么关系呢？是什么导致涡流的产生呢？

原来，塔科马大桥的设计者，当时著名的工程师莱昂・莫伊塞夫（Leon Moisseiff），在做设计方案的时候，自信可以把悬索桥设计的更加纤细优雅，同时把成本降到最低，就把原本7.6米的桁架梁换成了2.4米的普通钢梁。

莱昂・莫伊塞夫（右一）

然而，这却使得桥身无法产生足够的刚度，抵抗形变的能力也因此大大减小。

不仅如此，在换成了普通的钢梁之后，风就只能从桥上的两面通过，不能从原本采用的桁架梁中自由穿行。

而导致大桥坍塌的“罪魁祸首”，则是大桥两边的实心钢板和横截面一起形成的H型结构。

H型结构

这两块钢板，就像是云层中的山，当风形成的高速漩涡不断从桥身的两侧流走时，会带给桥身一个交替的侧向力。

而这个侧向力是有一定的频率的，当风达到特定的速度时，就会产生连续性的旋涡，对被绕的桥梁产生周期性浸染力，当这种浸染力和大桥震动的频率接近时，就会产生共振。

举个很简单的例子，比如说荡秋千，当我们顺着它的频率去荡时，就很有可能会越荡越高。

相信看到这里，聪明的模友们应该已经猜出来了，导致这次虎门大桥随风波动的“罪魁祸首”，就是近期施工时摆放在桥面的水马！

在这次事故中，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，刚刚好是昨天的风速8m/s，共振就产生了。

共振越强，大桥摆动扭曲的幅度便会越大，幸亏桥管人员及时拆卸了水马，没有酿成桥毁人亡的事故。

大家可能还会担心，虎门大桥会不会也像塔科马大桥一样的结果，超模君认为，大概率是不会的！

据超模君所知，虎门大桥已经服役20多年了，这20年来从来都没有整出过什么幺蛾子，可见质量还是有保证的。

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。

各位模友看完了超模君的科普之后，想必也对虎门大桥稍微放点心了吧，其实究其本质，虎门大桥也好、塔科马大桥也好，出现晃动背后都是因为流体力学在作怪！

如果我们能好好了解流体力学背后那一段段故事，也就不会大惊小怪了。

写在最后

其实世界上很多事都如此，伟大的科学家们早就把世间的法则帮我们总结好了，就像流体力学之父――丹尼尔・伯努利开创了流体力学一样。

而当我们纵观2600年的数学文明史，不只是伯努利家族，还有很多用数学智慧改变人类的先驱。比如力学之父牛顿、数学王子高斯等等......

是他们，用智慧谱写人类最美的数学公式；也是他们，用生命点亮科学文明的高光时刻。

希望用他们的智慧结晶，来开启新的数学之旅。

最后，超模君来公布上周中奖名单啦！！！

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作者简介：超模君，数学教育与生活自媒体博主，新晋理工科奶爸。出版过《芥子须弥 ・ 大科学家的小故事》；《数学之旅・闪耀人类的54个数学家》。后续数学文化创意多多，欢迎关注认识！

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