5月5日，廣東虎門(mén)大橋橋面發(fā)生振動(dòng)的視頻在互聯(lián)網(wǎng)上瞬間刷屏。在大家印象中堅(jiān)不可摧的大橋居然以40厘米左右的幅度振動(dòng)，橋上經(jīng)過(guò)車(chē)輛中的乘客甚至產(chǎn)生了暈眩感，簡(jiǎn)直是好萊塢災(zāi)難大片的現(xiàn)實(shí)版。如果再聯(lián)想到1940年11月坍塌的美國(guó)塔科馬海峽大橋，不由得讓我們“細(xì)思恐極”——大橋設(shè)計(jì)是否存在缺陷?施工中是否出現(xiàn)了嚴(yán)重失誤?虎門(mén)大橋是否有垮塌的危險(xiǎn)?

對(duì)于這次罕見(jiàn)的大橋震動(dòng)事故，許多橋梁工程專(zhuān)家第一時(shí)間給出的解釋是，橋面安裝的水馬引起了渦振。

水馬：分割路面的注水塑制障礙物。

渦振：氣流繞過(guò)結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生周期性的漩渦脫落，當(dāng)這個(gè)漩渦脫落的頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率相近時(shí)，就會(huì)發(fā)生大幅度的共振。

但水馬撤除后，虎門(mén)大橋依然產(chǎn)生了規(guī)模較小的“余振”，與此同時(shí)，幾張虎門(mén)大橋吊索銹蝕斷裂的照片再次在網(wǎng)絡(luò)上瘋傳。大家不由得心生疑問(wèn)，會(huì)不會(huì)是因?yàn)榈跛鞯匿P蝕引起大橋的振動(dòng)?小小的水馬真的是引發(fā)大橋振動(dòng)的罪魁禍?zhǔn)讍?虎門(mén)大橋的問(wèn)題應(yīng)該如何解決呢?

纜索：大橋的阿克琉斯之踵

首先我們來(lái)看看第一個(gè)犯罪嫌疑人——吊索。如果吊索的斷裂要引起大橋的振動(dòng)，大概只有兩種可能，一種是吊索的斷裂導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)整體剛度的下降，虎門(mén)大橋一共有數(shù)百根吊索，少數(shù)吊索的斷絲問(wèn)題很難引起橋梁整體的動(dòng)力特性改變，而如果大量的吊索斷裂，那虎門(mén)大橋恐怕已經(jīng)瀕臨垮塌，而不是橋面振動(dòng)那么簡(jiǎn)單了。

第二種可能，是吊索的振動(dòng)引起主梁的振動(dòng)。2005年7月，克羅地亞著名的杜布羅夫尼克大橋，就發(fā)生了嚴(yán)重的吊索事故，在狂暴的風(fēng)雨中，大橋的吊索放飛了自我。據(jù)推算，這座斜拉橋的斜拉索當(dāng)時(shí)的振幅達(dá)到了2.5米，拉索之間出現(xiàn)了碰撞，導(dǎo)致拉索的HDPE保護(hù)套破裂，橋塔上用來(lái)錨定拉索的高強(qiáng)螺栓脫落掉在了橋面。這一事件引起了極大的恐慌。

但是，即使是這樣大幅度的拉索振動(dòng)，我們從現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)視頻中，也可以看出橋面的振動(dòng)幅度很小，從而說(shuō)明對(duì)于虎門(mén)大橋這樣的索承重橋梁來(lái)說(shuō)，要靠吊桿(拉索)這樣的纜索振動(dòng)引起主梁的振動(dòng)，吊桿的振幅一定要達(dá)到很大的幅值，而這不可能不引起過(guò)往司機(jī)行人的注意，因此吊桿振動(dòng)引起虎門(mén)大橋振動(dòng)的說(shuō)法，也基本可以排除。

那么，為什么橋梁吊索在不良天氣中會(huì)發(fā)生這么可怕的振動(dòng)呢?這種振動(dòng)叫做風(fēng)雨振。大家可能還有印象，中學(xué)時(shí)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)中化學(xué)老師不斷地強(qiáng)調(diào)“玻璃棒的作用是引流!”而在下雨時(shí)，大橋上一定傾斜角的拉索就會(huì)像玻璃棒一樣給雨水“引流”，雨水在拉索表面流動(dòng)形成了水線(xiàn)。正是這種2~3毫米的水線(xiàn)改變了截面的形狀，改變了結(jié)構(gòu)受到的氣動(dòng)力，引起了拉索的發(fā)散性振動(dòng)，從而導(dǎo)致了風(fēng)雨振的發(fā)生。

如何限制纜索的振動(dòng)，一直是橋梁工程領(lǐng)域的一個(gè)難題。當(dāng)纜索的振動(dòng)幅度增大時(shí)，纜索的保護(hù)結(jié)構(gòu)就會(huì)破壞，橋面用來(lái)固定纜索的錨箱也會(huì)開(kāi)裂，進(jìn)水，原本保護(hù)纜索的裝置直接變成了引起銹蝕的蓄水池。不過(guò)虎門(mén)大橋的吊索質(zhì)量堪稱(chēng)優(yōu)良，參考國(guó)內(nèi)的類(lèi)似工程，撫順市天湖大橋在通車(chē)12年后更換了吊索，江陰大橋在通車(chē)10年后就開(kāi)始更換吊索?；㈤T(mén)大橋1997年建成，20年才被發(fā)現(xiàn)吊索銹蝕破壞，人家還有點(diǎn)小驕傲呢。

開(kāi)流節(jié)源——治好虎門(mén)大橋的秘訣

空氣動(dòng)力學(xué)就是如此奇妙，微不足道的水線(xiàn)就有可能引起拉索的大幅振動(dòng)，那么橋面上堆積的眾多水馬，引起虎門(mén)大橋發(fā)生渦振，也是合情合理的推測(cè)。

塔科馬大橋的災(zāi)難過(guò)后，全球橋梁工程設(shè)計(jì)們達(dá)成了一個(gè)共識(shí)：所有的大橋都必須通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)選出合理的結(jié)構(gòu)斷面，以避免各種潛在的振動(dòng)問(wèn)題，力圖讓風(fēng)吹過(guò)橋面時(shí)，可以像平靜的水流一樣流過(guò)。虎門(mén)大橋上水馬的出現(xiàn)，無(wú)疑破壞了原來(lái)合理的斷面，攪亂了通過(guò)的氣流。這如同在流動(dòng)的河水中憑空加入障礙物一樣，制造出了漩渦，從而導(dǎo)致大橋整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不穩(wěn)定。

事實(shí)上，類(lèi)似的振動(dòng)在全世界范圍內(nèi)時(shí)有發(fā)生，首先有請(qǐng)俄羅斯的伏爾加河大橋出場(chǎng)。

以及1997年的東京灣大橋。

這類(lèi)的振動(dòng)確實(shí)嚇人，號(hào)稱(chēng)“戰(zhàn)斗民族”，膽大包天的俄羅斯，有關(guān)部門(mén)在伏爾加河大橋出現(xiàn)振動(dòng)后，也不得不宣布大橋封閉五天。但是上述振動(dòng)過(guò)后，檢測(cè)均證明大橋主要結(jié)構(gòu)沒(méi)有主要損傷，在加裝一定的振動(dòng)控制裝置后就能保證運(yùn)轉(zhuǎn)完好。

我們可以將大橋出現(xiàn)的大幅有害振動(dòng)理解為，氣流中的能量輸入給了大橋，超過(guò)了所能允許的范圍。那么要解決這類(lèi)問(wèn)題，就要“開(kāi)流節(jié)源”。

所謂開(kāi)流，就是把大橋無(wú)處安放的振動(dòng)能量再傳遞給其他結(jié)構(gòu)，找個(gè)背鍋俠承受這些振動(dòng)的能量。 土木工程中就有一位專(zhuān)業(yè)的背鍋俠，他的名字叫做調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，簡(jiǎn)稱(chēng)TMD(Tuned Mass Damper)。 這里所謂的調(diào)諧，指的是將TMD的振動(dòng)頻率調(diào)整得和大橋的振動(dòng)頻率一樣。 不管是渦振還是其他振動(dòng)，都屬于共振，也就是荷載的頻率和結(jié)構(gòu)本身的頻率一樣。 通過(guò)調(diào)諧，TMD就把收音機(jī)調(diào)到了大橋同一個(gè)頻道，當(dāng)收音機(jī)里的音樂(lè)響起，TMD就能立刻挺身而出替大橋把鍋背了。

我們可以看這個(gè)動(dòng)圖，右邊的主體結(jié)構(gòu)上方附加了一個(gè)黃色的TMD，一開(kāi)始TMD被固定住無(wú)法振動(dòng)(背鍋)，主體結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)幅度就很大。當(dāng)TMD解除固定振動(dòng)以后，主體結(jié)構(gòu)的振幅就明顯減小了。附加TMD方法是一種最為通用的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方法，前面動(dòng)圖中的三座大橋的振動(dòng)都是通過(guò)附加TMD的方法解決的。

第二種方法便是“節(jié)源”，就是通過(guò)方法減少大橋振動(dòng)能量的輸入。既然虎門(mén)大橋是由于形狀改變引起能量輸入的增加，那自然也就可以通過(guò)改變橋梁形狀的方法解決渦激振動(dòng)。例如丹麥的大海帶橋(Storeblt suspension bridge)，該橋在施工快結(jié)束時(shí)發(fā)現(xiàn)了大幅的渦激振動(dòng)。通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，工程師給橋面兩側(cè)設(shè)計(jì)了兩個(gè)導(dǎo)流板(Guide vanes)，使橋面具有更好的流線(xiàn)線(xiàn)型，避免了旋渦脫落導(dǎo)致的渦激振動(dòng)。

上述兩種方法不需要對(duì)大橋做大手術(shù)，在實(shí)踐中也很好地解決了渦振問(wèn)題。事實(shí)上，這些解決措施本身并不難，難點(diǎn)主要還是需要通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，因此現(xiàn)在還需要多給專(zhuān)家們一些時(shí)間。相信假以時(shí)日，進(jìn)行適當(dāng)加固改造后，虎門(mén)大橋又可以正常投入運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] Savor Z, Radic J, Hrelja G. Cable vibrations at Dubrovnik bridge[J]. Bridge Structures, 2006, 2(2): 97-106.

[2] Telang N M, Ligozio C A, Mehrabi A B. Luling Bridge—Phase II Structural Evaluation of Luling Bridge Stay Cable Array—Tasks 1, 2, and 3[J]. Report to the Louisiana Department of Transportation and Development, State Project (700-45): 0107.

[3] Frank K H, Breen J E. Durability of Stay Cable[C]//Proceedings of the High Performance Stay Cable Systems Seminar. 2004.

[4] Fujino Y, Siringoringo D. Vibration mechanisms and controls of long-span bridges: a review[J]. Structural Engineering International, 2013, 23(3): 248-268.

[5] Larsen A, Esdahl S, Andersen J E, et al. Storeblt suspension bridge–vortex shedding excitation and mitigation by guide vanes[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2000, 88(2-3): 283-296.

關(guān)鍵詞： 虎門(mén)大橋