据广东省公安厅交管局的消息,2020年5月5日下午3点30分左右,由于风速大,虎门大桥出现摇晃,为确保安全,虎门大桥现已封桥,不能通行。目前,大量车辆涌入虎门威远,虎门交警已调派大量警力在现场指挥疏导交通,分流车辆向莞佛高速、沿江高速行驶。专家组初步判断,虎门大桥悬索桥本次振动的主要原因是:沿桥跨边护栏连续设置水马,改变了钢箱梁的气动外形,在特定风环境条件下,产生了桥梁涡振现象。
据网友和新闻说当时风速很大,是风导致卡门涡街振动。卡门涡街是流体力学中重要的现象,在自然界中常可遇到。在一定条件下的定常来流绕过某些物体时,物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反排列规则的双列线涡,经过非线性作用后,形成卡门涡街,如水流过桥墩,风吹过高层楼厦、电视塔捆囱、电线等都部会形成卡门涡街。
美国华盛顿州的Tacoma Narrow桥,于1940年7月建成,全长:1810.2米,最大跨度:853.4米。是当时世界上最长的悬索大桥。1940年11月7日在42英里/小时(相当于20m/s)风速的作用下,导致桥面折断坠落到峡谷中。由于在风的作用下产生的卡门涡街,涡作用以后使得桥面周期性出现上下的作用力。如上图所示,把桥作为一个横断面,风沿着水平方向吹过来,为什么却出现了扭转摆动的情况?
实际上,这是由于在桥面的上流线经过的过程中横断面上边产生了一个涡,这个涡离开以后,另一边又产生了一个涡,这些涡上下交替出现,使得桥不断的摆动,并且摆的幅度越来越大,当和桥的共振频率、扭转频率一致时,桥就会出现扭转摆动的情况。这就是著名的卡门涡街。
其实生活中常用的工具就能观察到卡门涡街,只需要一个吹风机和一个小纸条就能够做到(详细演示可见视频),步骤如下:首先,把小纸条在无风处竖直放置,观察到纸片是静止的。然后,将吹风机调至低风速档,将纸片放在吹风机下面,风从纸片正上方往下吹,先将纸片放离吹风口远一点的位置,纸片还是基本静止的;慢慢靠近风口,由于实验存在误差,纸片会有一点微小的摆动,但是纸片的振幅不会太大。
由此可以观察到当风速比较低时,纸片基本上还是静止的。最后,把吹风机打到高风速挡,这个时候可以观察到纸片中部振幅波动大,后头尾巴会明显摆出,这也就是卡门涡街。