5月5日，廣東虎門大橋橋面發生振動的視頻在互聯網上瞬間刷屏。在大家印象中堅不可摧的大橋居然以40厘米左右的幅度振動，橋上經過車輛中的乘客甚至產生了暈眩感，簡直是好萊塢災難大片的現實版。如果再聯想到1940年11月坍塌的美國塔科馬海峽大橋，不由得讓我們“細思恐極”——大橋設計是否存在缺陷？施工中是否出現了嚴重失誤？虎門大橋是否有垮塌的危險？
對於這次罕見的大橋震動事故，許多橋梁工程專家第一時間給出的解釋是，橋面安裝的水馬引起了渦振。
水馬：分割路面的注水塑製障礙物。
渦振：氣流繞過結構時，會產生周期性的漩渦脫落，當這個漩渦脫落的頻率與結構的固有頻率相近時，就會發生大幅度的共振。
但水馬撤除後，虎門大橋依然產生了規模較小的“余振”，與此同時，幾張虎門大橋吊索鏽蝕斷裂的照片再次在網絡上瘋傳。大家不由得心生疑問，會不會是因為吊索的鏽蝕引起大橋的振動？小小的水馬真的是引發大橋振動的罪魁禍首嗎？虎門大橋的問題應該如何解決呢？
纜索：大橋的阿克琉斯之踵
首先我們來看看第一個犯罪嫌疑人——吊索。如果吊索的斷裂要引起大橋的振動，大概只有兩種可能，一種是吊索的斷裂導致了結構整體剛度的下降，虎門大橋一共有數百根吊索，少數吊索的斷絲問題很難引起橋梁整體的動力特性改變，而如果大量的吊索斷裂，那虎門大橋恐怕已經瀕臨垮塌，而不是橋面振動那麽簡單了。
第二種可能，是吊索的振動引起主梁的振動。2005年7月，克羅地亞著名的杜布羅夫尼克大橋，就發生了嚴重的吊索事故，在狂暴的風雨中，大橋的吊索放飛了自我。據推算，這座斜拉橋的斜拉索當時的振幅達到了2.5米，拉索之間出現了碰撞，導致拉索的HDPE保護套破裂，橋塔上用來錨定拉索的高強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，我們從現有的網絡視頻中，也可以看出橋面的振動幅度很小，從而說明對於虎門大橋這樣的索承重橋梁來說，要靠吊杆（拉索）這樣的纜索振動引起主梁的振動，吊杆的振幅一定要達到很大的幅值，而這不可能不引起過往司機行人的注意，因此吊杆振動引起虎門大橋振動的說法，也基本可以排除。
杜布羅夫尼克大橋上因為拉索碰撞而損壞的拉索保護層 | 作者供圖
那麽，為什麽橋梁吊索在不良氣象中會發生這麽可怕的振動呢？這種振動叫做風雨振。大家可能還有印象，中學時代化學實驗中化學老師不斷地強調“玻璃棒的作用是引流！”而在下雨時，大橋上一定傾斜角的拉索就會像玻璃棒一樣給雨水“引流”，雨水在拉索表面流動形成了水線。正是這種2~3毫米的水線改變了截面的形狀，改變了結構受到的氣動力，引起了拉索的發散性振動，從而導致了風雨振的發生。
如何限制纜索的振動，一直是橋梁工程領域的一個難題。當纜索的振動幅度增大時，纜索的保護結構就會破壞，橋面用來固定纜索的錨箱也會開裂，進水，原本保護纜索的裝置直接變成了引起鏽蝕的蓄水池。不過虎門大橋的吊索質量堪稱優良，參考國內的類似工程，撫順市天湖大橋在通車12年後更換了吊索，江陰大橋在通車10年後就開始更換吊索。虎門大橋1997年建成，20年才被發現吊索鏽蝕破壞，人家還有點小驕傲呢。
美國路易斯安納州的Luling大橋，一榔頭下去錨箱嘩嘩流淚 | 作者供圖
德國漢堡科爾布蘭特大橋，建成5年後吊索內鋼絲就開始鏽蝕斷裂 | 作者供圖
開流節源——治好虎門大橋的秘訣
空氣動力學就是如此奇妙，微不足道的水線就有可能引起拉索的大幅振動，那麽橋面上堆積的眾多水馬，引起虎門大橋發生渦振，也是合情合理的推測。
渦振現象模擬圖，氣流遇到障礙物製造出了旋渦 | 作者供圖
塔科馬大橋的災難過後，全球橋梁工程設計們達成了一個共識：所有的大橋都必須通過風洞試驗來選出合理的結構斷面，以避免各種潛在的振動問題，力圖讓風吹過橋面時，可以像平靜的水流一樣流過。虎門大橋上水馬的出現，無疑破壞了原來合理的斷面，攪亂了通過的氣流。這如同在流動的河水中憑空加入障礙物一樣，製造出了漩渦，從而導致大橋整體結構出現了不穩定。
進行風洞實驗的大橋模型 | 作者供圖
事實上，類似的振動在全世界範圍內時有發生，首先有請俄羅斯的伏爾加河大橋出場。
以及1997年的東京灣大橋。
麻木了嗎？再看看韓國的珍島（Jindo）大橋。
這類的振動確實嚇人，號稱“戰鬥民族”，膽大包天的俄羅斯，有關部門在伏爾加河大橋出現振動後，也不得不宣布大橋封閉五天。但是上述振動過後，檢測均證明大橋主要結構沒有主要損傷，在加裝一定的振動控制裝置後就能保證運轉完好。
我們可以將大橋出現的大幅有害振動理解為，氣流中的能量輸入給了大橋，超過了所能允許的範圍。那麽要解決這類問題，就要“開流節源”。
所謂開流，就是把大橋無處安放的振動能量再傳遞給其他結構，找個背鍋俠承受這些振動的能量。土木工程中就有一位專業的背鍋俠，他的名字叫做調諧質量阻尼器，簡稱TMD（Tuned Mass Damper）。這裡所謂的調諧，指的是將TMD的振動頻率調整得和大橋的振動頻率一樣。不管是渦振還是其他振動，都屬於共振，也就是荷載的頻率和結構本身的頻率一樣。通過調諧，TMD就把收音機調到了大橋同一個頻道，當收音機裡的音樂響起，TMD就能立刻挺身而出替大橋把鍋背了。
我們可以看這個動圖，右邊的主體結構上方附加了一個黃色的TMD，一開始TMD被固定住無法振動（背鍋），主體結構整體振動幅度就很大。當TMD解除固定振動以後，主體結構的振幅就明顯減小了。附加TMD方法是一種最為通用的結構振動控制方法，前面動圖中的三座大橋的振動都是通過附加TMD的方法解決的。
TMD系統示意圖 | 作者供圖
第二種方法便是“節源”，就是通過方法減少大橋振動能量的輸入。既然虎門大橋是由於形狀改變引起能量輸入的增加，那自然也就可以通過改變橋梁形狀的方法解決渦激振動。例如丹麥的大海帶橋（Storebælt suspension bridge），該橋在施工快結束時發現了大幅的渦激振動。通過風洞試驗，工程師給橋面兩側設計了兩個導流板（Guide vanes），使橋面具有更好的流線線型，避免了旋渦脫落導致的渦激振動。
工程師為大海帶橋加裝的導流板，類似機翼的迎風截面 | 作者供圖
上述兩種方法不需要對大橋做大手術，在實踐中也很好地解決了渦振問題。事實上，這些解決措施本身並不難，難點主要還是需要通過風洞試驗進行驗證，因此現在還需要多給專家們一些時間。相信假以時日，進行適當加固改造後，虎門大橋又可以正常投入運行。
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作者：許和平
編輯：朱步衝
一個AI
虎門大橋: 扶我起來試試，是誰說我不行了！
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