桥梁风振现象

中和阮乐

近期国内连续出现两起大跨悬索桥振动事件，引起了业内外人们的广泛关注。虎门大桥1997年建成通车，主跨888米。

2020年5月5日下午3时30分许，虎门大桥发生异常晃动，风速约8m/s。当晚7时50分许，虎门大桥再次发生异常抖动，随后在晚8时17分许停止。

武汉鹦鹉洲长江大桥2014年通车，主跨850米，是目前世界上跨度最大的三塔四跨悬索桥。2020年4月26日，桥面发生了波浪般上下振动。

我们先回到80年前，1940年，发生了一件轰动桥梁界的事件——刚刚建成通车4个月的美国塔科马大桥垮塌了！当时的美国堪称世界桥梁强国，1937年刚刚建成的金门大桥主跨1280米，创下了世界最大跨径的纪录，也是首座千米以上的人工建筑物。

这一桥梁垮塌事件一度被称作“工程界的珍珠港”。该桥在建造前，原任金门大桥设计师和顾问工程师的莫伊塞夫（Moisseiff）建议采用2.4米深的板梁（原方案为7.2米高钢桁架梁），这不但降低了成本，同时也使桥梁构型更为优雅。他为这种探索和追求付出了代价，莫伊塞夫因金门大桥而享有盛誉，但却因塔科马大桥而身败名裂。

塔科马大桥的坍塌使得空气动力学和共振实验成为了建筑工程学的必修课。谁也不曾想到，一次惨重的工程事故，竟推动了一门新学科的诞生——桥梁风工程学这一新兴学科。如今在世界上很多桥梁、结构或物理课程的课堂上，教师们仍会常常提到这一案例。

颤振是一种典型的气流与结构振动强烈耦合的效应。即气流导致结构振动，结构振动反过来又导致气动力增强，于是振动更加剧烈，最终导致振动发散结构毁坏。悬索桥主梁形式经由钢桁架、钢板梁、流线型钢箱梁的演变，在风动力作用下的反应得到了改善。

如果桥梁颤振临界风速低于设计检验风速，就需要采取提高颤振临界风速的措施，它包括结构强化措施和气动优化措施。结构强化措施是通过提高影响颤振的结构扭转模态和其他模态的频率，来提高颤振临界风速。气动优化措施是通过改变主梁断面的外形，来优化气动性能。借鉴飞行器设计的经验，在原有断面上附加各种导流或扰流装置，如导流板、扰流板、上下稳定板等等，或者改变栏杆，检修轨道的位置、形状和尺寸，都具有气动优化效果。

虎门大桥的颤振临界风速大于79m/s，根据现场风速资料，这次振动基本排除颤振，可能还是施工临时措施改变了箱梁流线线型引起的涡振。

一个大跨度桥梁的抗风设计，不仅要满足颤振、涡振和抖振的多方面的要求，还要兼顾成本和施工技术等重要因素，因此需要评估-优化-再评估的多次反复。

另外大跨度索结构桥梁还面临索振问题。斜拉索、吊杆等经常发生涡振、抖振、驰振、风雨振，冰冷地区高压输电线还可能发生冰振。

最后，这次事件给我们一个提醒:我们在设计过程中考虑了各种情况，比如我们在检修车轨道这样的细节上都进行了导流板设计以减小其风阻，却在运营检修过程中设置了1.2米高的水马。

就像部队行军齐步走造成的桥垮给后人的启示那样，相信今后的大跨度桥梁运营养护过程中也会更加慎重。