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    印度吊橋真的是被晃塌的么?
    作者:文/瘦子魚 來源:中國公路微信公眾號 時間:2022-11-02

    當地時間10月30日18時42分左右,印度西部古吉拉特邦莫爾比市的一座吊橋倒塌,導致橋上人群落水。截至10月31日上午,已造成至少141人死亡、50人受傷,其中包括47名兒童,最小的孩子僅兩歲。目前,已有9名相關責任人被捕。

    印媒稱,這座百年老橋在經過大規模維修和改造后,于5天前重新開放。10月30日傍晚橋梁倒塌時,橋上擠滿了人。一段視頻顯示,此前曾有很多人在橋上蹦跳和奔跑,吊橋也因此而出現晃動。當地民眾表示,事故發生前,多名年輕人搖晃吊橋,工作人員無視提醒。

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    ▲新德里電視臺曝光的一段視頻顯示,事故發生的一天前,有近百人聚集在橋梁上瘋狂搖晃,還有人用腳踹橋梁的繩索。圖源:澎湃新聞

    “一些年輕人故意搖晃橋”“我提醒值班人員去制止,但他們只對賣票感興趣,告訴我們沒人管”“幾個小時后,橋就塌了”……多家印媒發布、轉載了事發前去過現場的目擊者說法。

    之后,英美媒體報道的一段監控錄像視頻,似乎證實了目擊者的指控。

    吊橋真的是被晃塌的么?

    僅靠人力真的能搖斷這么大一座橋嗎?其實這是有可能的。如果搖晃的頻率恰好與大橋的固有頻率接近,就會引發橋梁共振。這種共振會使搖晃的能量不斷疊加,晃動幅度越來越大,最終因結構無法承受而造成斷裂。

    共振的威力到底有多大,相信很多人都聽說過一個例子。在1906年的時候,有一支沙俄的軍隊過一座橋,這支軍隊紀律嚴明,過橋時也保持著齊步走的狀態。每一個人都同時落足,達到了共振狀態,結果橋就塌了。從此以后,軍隊過橋時就改為隨意行走了。

    事實上,這并不是歷史第一次出現懸索橋劇烈晃動導致坍塌的現象,這類事件可以追溯到20世紀40年代美國的塔科馬海峽大橋,這座全長1524米的大橋命運十分悲慘,在通車不久后,大橋就出現了異常猛烈的抖動。整座橋左右抖動,遠看就像一根麻花一樣,最終整座橋在強烈的振動中墜毀。

    異常抖動的懸索橋

    你可能覺得上面提到的兩座吊橋之所以會坍塌是因為結構不夠牢固,但事實并非如此。

    吊橋,又名懸索橋,是主要承重結構由纜索(包括吊桿)、塔和錨碇組成的橋。纜索的幾何形狀由力的平衡條件決定,單獨懸索即為懸鏈線,加上加勁梁后主纜線形介于懸鏈線和拋物線之間。從纜索垂下的吊桿將橋面吊住,在橋面處常設置加勁梁,與纜索一起形成組合體系以減小活載撓曲變形?,F代懸索橋是由發源于中國的古代索橋演變而來,主要適用于大跨度及特大跨度橋梁,是跨越能力最大的橋型。

    因為懸索橋靈活多變且跨度大,能適應大風以及地震,因此在我國廣泛建造。但同時,因為大橋比較靈活,不穩重,比較容易出現異常抖動。

    2020年5月5日,在珠江上屹立了23年的虎門大橋突然發生了異?;蝿蝇F象,大橋呈現小幅度的上下起伏,就像是波浪涌動一樣。查詢資料可以發現,武漢鸚鵡洲長江大橋、日本的東京灣大橋、俄羅斯的伏爾加河大橋等都曾出現過這樣的現象。

    懸索橋為何出現異常抖動?

    究竟是什么導致了懸索橋的抖動呢?

    我們把視角再次拉回到塔科馬海峽大橋事件,在1940年塔科馬海峽大橋墜毀事件之后,美國人就派出了事故勘測小組去尋找事故原因,其中有一位小組成員是著名的空氣動力學家馮·卡門,他在勘測之時發現大橋的墜毀一方面是因為大橋的設計不合理,另一方面是因為在風力的作用下,大橋出現了扭曲變形,振動達到了大橋的固有頻率,從而形成共振,最終引起了橋梁坍塌,這個原理也被稱為“卡門渦振”。

    2020年5月5日,虎門大橋突然發生抖動后,根據12名專家的討論和分析,虎門大橋發生抖動的原因,同樣是渦振現象。

    渦振又叫渦激振動、渦激共振,是大跨度橋梁在低風速下出現的一種風致振動現象,渦激振動帶有自激性質,但振動的結構反過來會對渦脫形成某種反饋作用,使得渦振振幅受到限制,因此渦振是一種帶有自激性質的風致限幅振動。它不需要特別強烈的風,反而是在低速風的作用下才會產生。這也體現了共振的一個特點:不需要非常強大的能量,只要足夠“精巧”,就能夠產生意想不到的效果。

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    ▲2022年6月18日晚,舟山西堠門跨海大橋產生短時渦激共振現象,引起社會關注。圖源:大河報網

    “就像橋上不能多人齊步走的道理一樣?!毕嚓P專家介紹,橋梁發生渦振不是因為風有多大,而是風荷載引起的共振效應。鈍體截面受到均勻流作用時,在截面背后會形成旋渦脫落,從而產生周期變化的渦激力。如果被繞流的物體是一個振動體系時,周期性的渦激力將引起結構的渦振,并且在旋渦脫落頻率與結構的自振周期一致時發生渦振。橋梁遇到特殊風況會晃動是正常的,而遇到旋渦風時,橋面晃動比較大。

    結語

    懸索橋容易抖動,那還靠譜么?其實大可不必擔心。渦振是各種結構最容易出現的振動,包括橋塔、拉索、主梁和高聳建筑物。從流體的角度來分析,任何非流線型物體,在一定的恒定流速下,都會在物體兩側交替地產生脫離結構物表面的旋渦。但是渦振相對來講,對于結構的危害有限,因為當結構的振動幅度持續增大時,氣流受到結構振動的影響,漩渦的周期性脫落就會被破壞。通俗地說,渦振和氣流之間相互制衡,渦振振幅無法無限增大,很少會造成結構的徹底損壞。為了抑制渦激振動,通常的方法是經過風洞試驗,選擇一個合適的截面來破壞漩渦的脫落,減小渦激振動的響應。

    從美國塔科馬海峽大橋斷裂開始,幾乎所有人都認識到了共振的威力,從此之后的橋梁幾乎都必須經過風洞實驗才能開始建造,因此我們不必擔心出現斷裂事故,一般的振動都是在正常范圍之內的。

    參考資料:

    《CIS科研項目:多少人能晃塌一座橋?》 知乎 CIS科研項目

    《去年晃動虎門大橋,今年晃動355米大廈,共振有多厲害》 微博姿勢分子-knowledge

    《科學家破解橋梁搖晃之謎》 中國科學報 晉楠

    《懸索橋靠譜嗎?為何懸索大橋總是異常抖動?其構造和原理是什么》 你好科普菌

    《印度吊橋倒塌前多人故意搖橋 工作人員無視民眾提醒》 海外網

    《印度拉索橋斷裂致至少141死,曝出事發前有年輕人“故意晃橋”》 今日頭條 觀察者網

    《新聞背后 | 造成虎門大橋異常抖動的“渦激振動”現象》 中央紀委國家監委網站 徐夢龍

    《多少人能晃塌一座橋?》 我們都愛地理

    【編輯: 任 燕】

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