隨着現代懸索橋的出現,人類得以建造出越來越長的橋樑。懸索橋的跨度可以很長,能夠跨過峽谷、大江、海峽,例如,橫跨300多米深峽谷的中國矮寨特大懸索橋;楊泗港長江大橋的主跨長度可達1.7公里,這在世界懸索橋中位列第二,而在世界雙層懸索橋中位列第一。

由於懸索橋的跨度長,這會帶來一些空氣動力學問題。當大風橫向吹過懸索橋,橋面有可能會出現波浪式的晃動,這會讓行經橋上的人感到非常不適。如果嚴重的話,橋樑還有可能被搖晃垮塌。

那麼,爲什麼懸索橋會出現異常的抖動現象呢?

從物理學原理來講,任何物理結構都存在一個固有頻率。如果強迫振動的頻率接近於物理結構的固有頻率,就會引發共振現象。如果振幅足夠高,結果會導致結構被破壞掉。

在19世紀,法國的一隊士兵邁着相當整齊劃一的步伐走過一座長100米的橋樑時,由於齊步走產生的頻率與大橋的固有頻率相吻合,導致大橋不斷搖晃,然後出現共振現象。當士兵走到橋中間時,劇烈的共振現象引發橋樑坍塌,數百人落入水中喪命。

除了整齊的步伐之外,大風吹過橋樑也會造成大橋抖動,並有可能引發劇烈的共振現象,這涉及到卡門渦街效應。

當強風橫向吹過橋面時,會在橋面上下兩側產生兩道旋渦,它們的旋轉方向相反,互相交錯。由此會對橋面產生週期性強迫力,導致橋面出現晃動。這就是卡門渦街效應,由現代宇航科技之父馮·卡門最早闡明原理。

如果卡門渦街效應十分強烈,使得橋面振動幅度增大,最終達到橋樑的固有頻率。結果就會出現共振現象,橋樑將會發生劇烈的振動,從而導致橋樑垮塌,這在現實中有發生過。

1940年,橫跨塔科馬海峽的塔科馬海峽懸索橋建成通車。然而,僅過了幾周,橋面就開始出現異常的抖動。經過幾個月的搖擺之後,塔科馬海峽大橋的橋面最終扭曲斷掉,大橋發生垮塌。

根據塔科馬海峽大橋模型的風洞測試,大橋崩塌的原因正是卡門渦街效應引發的劇烈共振現象。塔科馬海峽大橋的橋面不夠厚,使其無法承受強風造成的卡門渦街效應,最終風速爲65公里/小時的大風吹垮了大橋。

此後,人們意識到,橋樑建造之前先要對模型進行嚴格的風洞測試。而且橋樑上還要設計一些氣孔,破壞卡門渦街效應。10年之後,經過嚴格仿真測試的新塔科馬海峽大橋又建起來,如今它還在正常通行。

現代橋樑的設計都會考慮到卡門渦街效應,以後基本上不可能會出現塔科馬海峽吊橋那樣的崩塌現象。

不過,在設計允許的範圍內,橋面有時會出現一些上下起伏的波動,這種晃動是正常的渦激振動現象。其原因可能是由橋面的截面發生變化所致,例如,放置水馬圍擋。只要振動幅度不大,沒有超過設計範圍,大橋是不會有問題的。

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