Tacoma Bridge顫振

塔科馬海峽大橋位于美國(guó)華盛頓州，1940年7月1日通車(chē)，四個(gè)月后卻在18m/s的低風(fēng)速下顫振而破壞，這戲劇性的一幕正好被一支攝影隊(duì)拍攝了下來(lái)，該橋因此聲名大噪。事實(shí)上，該橋僅在啟用后的幾個(gè)星期，橋面便開(kāi)始出現(xiàn)擺動(dòng)，平日里的微風(fēng)便能讓它“隨風(fēng)起舞”，碰上大風(fēng)天，橋面的擺動(dòng)甚至可達(dá)2米之多，該橋也因此被當(dāng)?shù)鼐用穹Q(chēng)為“舞動(dòng)的格蒂”。

塔科馬大橋的設(shè)計(jì)師，系大名鼎鼎的舊金山金門(mén)大橋的設(shè)計(jì)師之一里昂·莫伊塞弗，他認(rèn)為斜拉索大橋主纜本身可以吸收一半來(lái)自風(fēng)的壓力，橋墩和索塔也可以透過(guò)傳導(dǎo)分散這些能量，于是大橋主梁從原先的7.6米縮減為2.4米。但材料上的“縮水”并非大橋坍塌的主要原因，真正讓大橋瓦解的元兇，是工程設(shè)計(jì)上的局限——當(dāng)時(shí)的土木工程師沒(méi)有預(yù)見(jiàn)到空氣動(dòng)力給橋梁帶來(lái)的共振影響。該橋的風(fēng)毀事故立即震動(dòng)了世界橋梁界，從此也引發(fā)了科學(xué)家們對(duì)橋梁風(fēng)致振動(dòng)問(wèn)題的廣泛研究。

東京灣大橋渦振

日本東京灣通道橋主橋?yàn)?0跨一聯(lián)的鋼箱梁連續(xù)梁橋，最大跨度240m，在16~17m/s的風(fēng)速下發(fā)生了豎向渦激振動(dòng)，跨中振幅達(dá)50cm。這是由于氣流經(jīng)過(guò)鈍體橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生分離，形成了周期性的旋渦脫落，并產(chǎn)生作用于橋梁上的周期性氣動(dòng)力，當(dāng)旋渦脫落頻率接近于橋梁的某個(gè)固有頻率時(shí)，就激發(fā)了橋梁的渦激共振。

雖然渦激共振不會(huì)像顫振一樣引起橋梁毀滅性的破壞，但頻繁持續(xù)的渦振會(huì)造成橋梁構(gòu)件疲勞破壞，并引起行人和行車(chē)不舒適，因此避免渦激共振也是橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。確定橋梁渦激共振的鎖定風(fēng)速范圍和最大振幅的有效手段是節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，而抑制渦振發(fā)生的最好辦法就是通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)選取理想的橋梁截面形式。

俄伏爾加河大橋蛇形共振

2010年5月19日晚，俄羅斯首都莫斯科南方的伏爾加格勒過(guò)河大橋發(fā)生離奇擺動(dòng)，鋼筋混凝土構(gòu)建的大橋竟呈波浪形翻滾，整個(gè)橋體也出現(xiàn)了較為明顯的左右晃動(dòng)，并發(fā)出震耳欲聾的聲音，正在橋上行駛的車(chē)輛也在滾動(dòng)中跳動(dòng)。大橋振動(dòng)停止后，專(zhuān)家檢查了橋梁各處道路和圍欄等，發(fā)現(xiàn)橋梁無(wú)裂紋，無(wú)損傷。工程師在初步檢查后認(rèn)為，這種現(xiàn)象可能是受地震影響，或是大橋橋墩受到洪水沖擊所導(dǎo)致。俄羅斯著名橋梁專(zhuān)家阿納托利則表示，這種現(xiàn)象是由于風(fēng)波動(dòng)和負(fù)載所共振而引發(fā)的。

以上幾組實(shí)例概括了柔性橋梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)致激勵(lì)下兩類(lèi)典型失穩(wěn)形態(tài)：發(fā)展性振幅顫振和鎖定振幅區(qū)間的渦振。最早在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，人們對(duì)塔科瑪橋的風(fēng)毀事故的原因進(jìn)行了研究。一開(kāi)始，就有二種不同的意見(jiàn)在進(jìn)行爭(zhēng)論?！糠趾娇展こ處熣J(rèn)為塔科瑪橋的振動(dòng)類(lèi)似于機(jī)翼的顫振；而以馮卡門(mén)為代表的流體力學(xué)家認(rèn)為，塔科瑪橋的主梁有著鈍頭的H型斷面，和流線型的機(jī)翼不同，存在著明顯的渦旋脫落，應(yīng)該用渦激共振機(jī)理來(lái)解釋。馮·卡門(mén)1954年在《空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展》一書(shū)中寫(xiě)道：塔科瑪海峽大橋的毀壞，是由周期性旋渦的共振引起的。設(shè)計(jì)的人想建造一個(gè)較便宜的結(jié)構(gòu)，采用了平板來(lái)代替桁架作為邊墻。不幸，這些平板引起了渦旋的發(fā)生，使橋身開(kāi)始扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。這一大橋的破壞現(xiàn)象，是振動(dòng)與渦旋發(fā)放發(fā)生共振而引起的。

事實(shí)上，以現(xiàn)代科學(xué)眼光來(lái)看，此類(lèi)振動(dòng)到底歸于哪類(lèi)、孰是孰非，過(guò)早下結(jié)論仍是比較困難的事情。

下面簡(jiǎn)要介紹下兩類(lèi)觀點(diǎn)代表性人物：

馮·卡門(mén)

Karman Vortex Street

1997年匈牙利發(fā)行一張馮·卡門(mén)紀(jì)念郵票，以卡門(mén)渦街為背景

馮·卡門(mén)是美藉匈牙利力學(xué)家，近代力學(xué)的奠基人之一，1881年5月11日生于匈牙利布達(dá)佩斯，1963年5月7日卒于德國(guó)亞琛。他在美國(guó)加州理工學(xué)院的研究生中，有中國(guó)學(xué)者錢(qián)學(xué)森、郭永懷、錢(qián)偉長(zhǎng)，以及美藉華人學(xué)者林家翹等，他的學(xué)術(shù)思想對(duì)中國(guó)力學(xué)事業(yè)的發(fā)展起了積極的作用。他善于透過(guò)現(xiàn)象，抓住事物的物理本質(zhì)，提煉出數(shù)學(xué)模型，樹(shù)立了現(xiàn)代力學(xué)中數(shù)學(xué)理論和工程實(shí)際緊密結(jié)合的學(xué)風(fēng)，奠定了現(xiàn)代力學(xué)的基本方向。1911年，德國(guó)科學(xué)家馮·卡門(mén)從空氣動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)找到了這種渦旋穩(wěn)定性的理論根據(jù)。

流體繞過(guò)非流線形物體時(shí)，物體尾流左右兩側(cè)產(chǎn)生的成對(duì)的、交替排列的、旋轉(zhuǎn)方向相反的反對(duì)稱(chēng)渦旋?？ㄩT(mén)渦街是粘性不可壓縮流體動(dòng)力學(xué)所研究的一種現(xiàn)象。流體繞流高大煙囪、高層建筑、電線、油管道和換熱器的管束時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生卡門(mén)渦街。出現(xiàn)渦街時(shí)，流體對(duì)物體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周期性的交變橫向作用力。如果力的頻率與物體的固有頻率相接近，就會(huì)引起共振，甚至使物體損壞。這種渦街曾使?jié)撍У臐撏R失去觀察能力，海峽大橋受到毀壞，鍋爐的空氣預(yù)熱器管箱發(fā)生振動(dòng)和破裂。但是利用卡門(mén)渦街的這種周期的、交替變化的性質(zhì)，可制成卡門(mén)渦街流量計(jì)，通過(guò)測(cè)量渦流的脫落頻率來(lái)確定流體的速度或流量。

河水流過(guò)障礙物時(shí)，經(jīng)?？梢?jiàn)卡門(mén)渦街。馮·卡門(mén)曾在意大利北部博洛尼亞的一所教堂里，目睹一幅油畫(huà)，其中圣克里斯托弗背負(fù)少年基督，赤足渡河，畫(huà)家畫(huà)出圣克里斯托弗的腳跟在河水中造成兩排交錯(cuò)的旋渦，馮·卡門(mén)說(shuō)，這是卡門(mén)渦街最早的記錄。

2002年12月1日，Madeira島上空的卡門(mén)渦街

阿蘭·達(dá)文波特

Wind-induced vibration of structures

達(dá)文波特出生在印度馬德拉斯，在南非長(zhǎng)大。成年后就讀于劍橋大學(xué)，獲得力學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)士和碩士學(xué)位，而后在多倫多大學(xué)和布里斯托大學(xué)又分別獲得碩士和博士學(xué)位。他的論文《在紊流風(fēng)場(chǎng)中的高聳結(jié)構(gòu)和大跨橋梁風(fēng)荷載分析》是他職業(yè)生涯的焦點(diǎn)。后期成為加拿大西安大略大學(xué)教授和大氣邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室開(kāi)創(chuàng)者，他還曾經(jīng)擔(dān)任過(guò)加拿大皇家海軍的飛行員。