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[卡门涡街]大桥为什么会异常晃动？“卡门涡街”了解一下！

据中新网消息 ， 5月5日15时32分左右 ， 广东虎门大桥发生异常抖动 ， 广州交警支队对虎门大桥进行了交通管制 ， 提醒途经车辆绕道行驶 。 据现场视频显示 ， 呼呼风声中 ， 大桥桥面出现轻微起伏的波浪 。
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▲虎门大桥发生异常抖动 。 图据网络
事实上 ， 大桥“异常”抖动或晃动的状况时有发生——这是流体力学中重要的现象“卡门涡街” 。 比如 ， 2010年 ， 俄国南部伏尔加河的大桥就曾发生波浪状的“离奇”摇晃 ， 当时好几辆正行驶在桥上的车子也跟着不断摇摆 。
但是 ， 真正让人们意识到“卡门涡街”在建筑、桥梁、飞机制造设计以及船舶领域的重要影响 ， 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 。
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▲塔科马海峡吊桥垮塌 。 图据《商业内幕》
据《商业内幕》报道 ， 美国华盛顿州的塔科马海峡吊桥（Tacoma Narrows Bridge）建于1938-1940年间 ， 是当时仅次于金门大桥和乔治·华盛顿大桥的世界第三长吊桥 。 它的设计师莱昂·莫伊塞夫是美国20世纪二、三十年代悬索桥的领军人物 ， 也是全钢制桥的早期推行者 。
莫伊塞夫的“变形理论”广负盛名 ， 根据这个理论 ， 桥梁长度越大 ， 允许的变形也越大 。 正因为如此 ， 莫伊塞夫相信自己可以把悬索桥建得比以往更轻、更细、更长 ， 这个想法在他对塔科马海峡大桥的设计方案中得到了充分体现 。
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▲莱昂·莫伊塞夫（右一）图据PBS
可令莫伊塞夫没有想到的是 ， 大桥吊装完成后 ， 只要有4英里/小时的“小风”吹来 ， 大桥主跨就会有轻微的上下起伏 。 甚至在建造过程中 ， 工人就已经注意到了这座大桥出现的晃动现象 。
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 。
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▲一个摄制组正好拍下塔科马海峡吊桥波浪起伏的画面 。 图据VICE
最终 ， 承受着大桥重量的吊索接连断裂 ， 失去了拉力的桥面就像一条发怒的蟒蛇在空中奋力挣扎 。 建成通车仅四个月后 ， 120多米的大桥主体轰然坠入塔科马海峡 ， 激起了一大片烟尘 。
据《福布斯》报道 ， 塔科马海峡吊桥倒塌后第二天 ， 著名物理学家冯·卡门觉得此事不妥 ， 便用一个塔科马海峡吊桥模型进行试验 。 结果不出他所料 ， 塔科马海峡吊桥倒塌事件的元凶 ， 正是“卡门涡街”引起的桥梁共振——
在必定的风速规模内 ， 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 。
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【[卡门涡街]大桥为什么会异常晃动？“卡门涡街”了解一下！】▲卡门涡街示意图
当然 ， 设计之初 ， 为了美观和节省投资 ， 莫伊塞夫使用过轻的物料 ， 并将大桥从7.6米高的钢桁架主梁降至2.4米高的钢板梁 ， 也是酿成灾难的原因之一 。
但毫无疑问的是 ， 塔科马海峡吊桥为后来的桥梁设计与建造敲响了警钟 。 毕竟 ， 当时的桥梁设计界尚未认识到卡门涡街的严重危害 ， 仍然是从传统的桥梁承重等设计角度出发开展大桥的设计 。 此后的十年内 ， 桥梁空气动力和空气弹性学出现并进一步完善 。
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▲新建的塔科马海峡吊桥和平行桥 。 图据bechtel
1950年 ， 新建的塔科马海峡吊桥在经由严谨设计建造后通车运营 ， 道床厚度增至10米 ， 并在路面上加入气孔 ， 使空气可在路面上穿越 ， 防止卡门涡街的产生 。 稳稳矗立于海峡之上的它 ， 每日通车流量高达6万车次 ， 因此也被称为“强壮的格蒂” 。 2007年 ， 新的平行桥通车 ， 行车线由两条增至4条 ， 是现今全美国第五长的悬索桥 。
红星新闻采访人员 王雅林 林容
编辑 李彬彬
（红星新闻V6.8全新上线 ， 欢迎下载）
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