本文来自微信公众号：果壳（ID：Guokr42），作者：许和平，头图来自：视觉中国
5月5日，广东虎门大桥桥面发生振动的视频在互联网上瞬间刷屏。在大家印象中坚不可摧的大桥居然以40厘米左右的幅度振动，桥上经过车辆中的乘客甚至产生了晕眩感，简直是好莱坞灾难大片的现实版。
如果再联想到1940年11月坍塌的美国塔科马海峡大桥，不由得让我们“细思恐极”——大桥设计是否存在缺陷？施工中是否出现了严重失误？虎门大桥是否有垮塌的危险？
对于这次罕见的大桥震动事故，许多桥梁工程专家第一时间给出的解释是，桥面安装的水马引起了涡振。
水马：分割路面的注水塑制障碍物。
涡振：气流绕过结构时，会产生周期性的漩涡脱落，当这个漩涡脱落的频率与结构的固有频率相近时，就会发生大幅度的共振。
但水马撤除后，虎门大桥依然产生了规模较小的“余振”，与此同时，几张虎门大桥吊索锈蚀断裂的照片再次在网络上疯传。大家不由得心生疑问，会不会是因为吊索的锈蚀引起大桥的振动？小小的水马真的是引发大桥振动的罪魁祸首吗？虎门大桥的问题应该如何解决呢？
缆索：大桥的阿克琉斯之踵
塔科马大桥：求求你们不要再艾特我了，让我静静地躺在河里吧 | www.seatletimes.com
首先我们来看看第一个犯罪嫌疑人——吊索。
如果吊索的断裂要引起大桥的振动，大概只有两种可能，一种是吊索的断裂导致了结构整体刚度的下降，虎门大桥一共有数百根吊索，少数吊索的断丝问题很难引起桥梁整体的动力特性改变，而如果大量的吊索断裂，那虎门大桥恐怕已经濒临垮塌，而不是桥面振动那么简单了。
第二种可能，是吊索的振动引起主梁的振动。
2005年7月，克罗地亚著名的杜布罗夫尼克大桥，就发生了严重的吊索事故，在狂暴的风雨中，大桥的吊索放飞了自我。据推算，这座斜拉桥的斜拉索当时的振幅达到了2.5米，拉索之间出现了碰撞，导致拉索的HDPE保护套破裂，桥塔上用来锚定拉索的高强螺栓脱落掉在了桥面。这一事件引起了极大的恐慌。
但是，即使是这样大幅度的拉索振动，我们从现有的网络视频中，也可以看出桥面的振动幅度很小，从而说明对于虎门大桥这样的索承重桥梁来说，要靠吊杆（拉索）这样的缆索振动引起主梁的振动，吊杆的振幅一定要达到很大的幅值，而这不可能不引起过往司机行人的注意，因此吊杆振动引起虎门大桥振动的说法，也基本可以排除。
杜布罗夫尼克大桥上因为拉索碰撞而损坏的拉索保护层 | 作者供图
那么，为什么桥梁吊索在不良天气中会发生这么可怕的振动呢？这种振动叫做风雨振。大家可能还有印象，中学时代化学实验中化学老师不断地强调“玻璃棒的作用是引流”。
而在下雨时，大桥上一定倾斜角的拉索就会像玻璃棒一样给雨水“引流”，雨水在拉索表面流动形成了水线。正是这种2~3毫米的水线改变了截面的形状，改变了结构受到的气动力，引起了拉索的发散性振动，从而导致了风雨振的发生。
如何限制缆索的振动，一直是桥梁工程领域的一个难题。当缆索的振动幅度增大时，缆索的保护结构就会破坏，桥面用来固定缆索的锚箱也会开裂，进水，原本保护缆索的装置直接变成了引起锈蚀的蓄水池。
不过虎门大桥的吊索质量堪称优良，参考国内的类似工程，抚顺市天湖大桥在通车12年后更换了吊索，江阴大桥在通车10年后就开始更换吊索。虎门大桥1997年建成，20年才被发现吊索锈蚀破坏，人家还有点小骄傲呢。
美国路易斯安纳州的Luling大桥，一榔头下去锚箱哗哗流泪 | 作者供图
德国汉堡科尔布兰特大桥，建成5年后吊索内钢丝就开始锈蚀断裂 | 作者供图
开流节源——治好虎门大桥的秘诀
空气动力学就是如此奇妙，微不足道的水线就有可能引起拉索的大幅振动，那么桥面上堆积的众多水马，引起虎门大桥发生涡振，也是合情合理的推测。
涡振现象模拟图，气流遇到障碍物制造出了旋涡 | 作者供图
塔科马大桥的灾难过后，全球桥梁工程设计们达成了一个共识：所有的大桥都必须通过风洞试验来选出合理的结构断面，以避免各种潜在的振动问题，力图让风吹过桥面时，可以像平静的水流一样流过。
虎门大桥上水马的出现，无疑破坏了原来合理的断面，搅乱了通过的气流。这如同在流动的河水中凭空加入障碍物一样，制造出了漩涡，从而导致大桥整体结构出现了不稳定。
进行风洞实验的大桥模型 | 作者供图
事实上，类似的振动在全世界范围内时有发生，首先有请俄罗斯的伏尔加河大桥出场。
以及1997年的东京湾大桥。
麻木了吗？再看看韩国的珍岛（Jindo）大桥。
这类的振动确实吓人，号称“战斗民族”，胆大包天的俄罗斯，有关部门在伏尔加河大桥出现振动后，也不得不宣布大桥封闭五天。但是上述振动过后，检测均证明大桥主要结构没有主要损伤，在加装一定的振动控制装置后就能保证运转完好。
我们可以将大桥出现的大幅有害振动理解为，气流中的能量输入给了大桥，超过了所能允许的范围。那么要解决这类问题，就要“开流节源”。
所谓开流，就是把大桥无处安放的振动能量再传递给其他结构，找个背锅侠承受这些振动的能量。土木工程中就有一位专业的背锅侠，他的名字叫做调谐质量阻尼器，简称TMD（Tuned Mass Damper）。
这里所谓的调谐，指的是将TMD的振动频率调整得和大桥的振动频率一样。不管是涡振还是其他振动，都属于共振，也就是荷载的频率和结构本身的频率一样。通过调谐，TMD就把收音机调到了大桥同一个频道，当收音机里的音乐响起，TMD就能立刻挺身而出替大桥把锅背了。
我们可以看这个动图，右边的主体结构上方附加了一个黄色的TMD，一开始TMD被固定住无法振动（背锅），主体结构整体振动幅度就很大。当TMD解除固定振动以后，主体结构的振幅就明显减小了。附加TMD方法是一种最为通用的结构振动控制方法，前面动图中的三座大桥的振动都是通过附加TMD的方法解决的。
TMD系统示意图 | 作者供图
第二种方法便是“节源”，就是通过方法减少大桥振动能量的输入。
既然虎门大桥是由于形状改变引起能量输入的增加，那自然也就可以通过改变桥梁形状的方法解决涡激振动。例如丹麦的大海带桥（Storebælt suspension bridge），该桥在施工快结束时发现了大幅的涡激振动。通过风洞试验，工程师给桥面两侧设计了两个导流板（Guide vanes），使桥面具有更好的流线线型，避免了旋涡脱落导致的涡激振动。
工程师为大海带桥加装的导流板，类似机翼的迎风截面 | 作者供图
上述两种方法不需要对大桥做大手术，在实践中也很好地解决了涡振问题。事实上，这些解决措施本身并不难，难点主要还是需要通过风洞试验进行验证，因此现在还需要多给专家们一些时间。相信假以时日，进行适当加固改造后，虎门大桥又可以正常投入运行。
参考文献
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本文来自微信公众号：果壳（ID：Guokr42），作者：许和平