虎门大桥涡振与卡门涡街

一盏灯

当水流经过柱状障碍物，障碍物后方就会周期性生成一道道左右交替的漩涡。不要轻视这小小的漩涡，当年虎门大桥发生涡振的画面广为传播：桥上车辆缓缓通行，整座大桥如同软面条一般上下起伏，屏幕前的观者无不捏一把冷汗，心生震撼。而引发这场现象的，正是这个名为卡门涡街的流体效应。虎门大桥的涡振事件，不仅向大众展示了卡门涡街与桥梁涡振之间的复杂关系，也纠正了长久以来大众对于塔科马大桥坍塌事故的认知误区。

事件回顾：2020虎门大桥涡振

2020年5月5日下午两点，连通东莞虎门与广州南沙的虎门大桥，桥面出现显著的竖向抖动，在近二十小时之内，多次反复出现涡振。专家组研判得出初步结论：桥面护栏处连续摆放的1.2米高施工水马，改变了钢箱梁原本的气动外形，在每秒8米左右的风速环境下，诱发了涡振现象。

虎门大桥是国内第一座大型现代化悬索桥，主桥全长4.6千米，1997年正式通车，曾斩获詹天佑土木工程大奖。本次涡振虽然引发全网热议，但经过专业检测，桥梁主体结构并未受损。到5月6日中午，桥面振动基本完全消散。

卡门涡街：经典的流体力学现象

卡门涡街（von Kármán vortex street）是流体力学当中十分经典的物理现象。当气流、水流这类流体流过钝形物体，物体两侧会交替脱落旋转方向相反、排布规整的成对漩涡。该现象由美籍匈牙利流体力学大师冯·卡门系统研究并定名，他也是钱学森先生的导师。

卡门涡街本身只是流体运动的一种自然表现。但当漩涡交替脱落带来的脉动压力持续作用在桥梁这类弹性构筑物上，就会诱发结构产生振动，这就是涡致振动（VIV）。

涡振与颤振：两种完全不同的风致振动

虎门大桥的风波，让桥梁风致振动走进大众视野，同时也暴露了普遍存在的概念混淆。很多人直接把卡门涡振和1940年塔科马大桥的坍塌归为同类事故，实际上二者的发生机理有着本质区别。

涡振（VIV）

由漩涡脱落外力激发，属于限幅振动，振动振幅存在上限，短时间内不会直接摧毁桥梁结构。当漩涡脱落频率靠近桥梁自身固有频率，会出现频率锁定效应，空气阻尼会约束振幅，阻止振动无限制放大。

颤振（Flutter）

属于流固耦合带来的负阻尼效应，振动会持续发散，振幅不断增大，最终直接造成整体结构损毁，属于致命的自激振动。

塔科马大桥倒塌的历史真相

1940年，塔科马海峡大桥在19m/s的风速之下，发生剧烈扭转晃动，最大扭转角度可达±35°，历经七十分钟之后整座桥梁轰然垮塌。

事故早期，冯·卡门团队将事故诱因解释为卡门涡街带来的涡激共振，这套说法被写进美国中学物理课本，成为共振知识点的经典案例。

但随着气动弹性力学不断发展，后世研究证实：塔科马大桥的毁灭，根源是颤振，并非涡振。大桥的扭转晃动是典型的颤振失稳，是结构和气动力互相加剧的自激破坏，并不是简单的外部漩涡激发共振。冯·卡门当年的解释通俗易懂，却忽略了更为复杂的颤振失稳机制。

虎门大桥涡振带来的工程启示

虎门大桥涡振事件，给大跨度桥梁工程留下宝贵的现实经验。

首先，施工临时构件，例如本次事件中的水马，会直接改变桥梁气动外形，它带来的影响万万不可忽视。

其次，现代大跨度悬索桥，依靠风洞试验与气动优化，已经基本规避了毁灭性的颤振风险，但特定气象、工况之下，涡振依旧有可能发生。

涡振属于限幅振动，不会像颤振一样无限放大造成毁灭性坍塌。当时交通部门的通报也明确，此次振动不会破坏虎门大桥主体结构与耐久性能。不过长期角度，仍要持续监测主梁支座、主缆、吊索，防范反复振动带来的疲劳损伤。

虎门大桥的经历，让世人重新读懂卡门涡街：卡门涡街是流体造就的奇妙景象，由此产生的涡振是工程需要提防的局限，而颤振，才是威胁桥梁存亡的真正危险。