大橋有點“飄”如何才能“定”

專家：須高度重視渦振現象

“渦振是個‘怪東西’。其實橋上有車行走，它的渦振（渦激振動）振幅比無車情況還會小些。換句話說，虎門大橋限速通車，也安全。”5月7日，長沙，中國工程院院士陳政清一開口，就讓科技日報記者愣了一下。

近期，我國大橋似乎有點“飄”。4月26日，武漢鸚鵡洲長江大橋橋體發生波浪形晃動。9天后，廣東虎門大橋懸索橋也來了一波類似的“神晃動”，讓大橋“飄”上了熱搜。

大橋為啥如此“飄”，怎樣才能讓橋“淡定”下來？記者就此到訪湖南大學土木工程學院、風工程試驗研究中心。

大橋“飄”得很安全 為啥人們“瘮得慌”

抖音影片裡虎門大橋的波動“大片”，著實讓人瘮得慌。不過，專家均表示，儘管大橋“飄”得明顯，但仍安全。

如何看大橋的“飄動”，陳政清認為可分“動靜”兩種角度。大橋在設計時，均會考慮結構承載能力，即大橋滿載時最大下沉幅度。據估算，虎門大橋最大下沉幅度為2米，此次大橋“飄”幅0。5米左右。從這一靜力概念看，大橋很安全。

如此安全，為啥大橋渦振要封橋？這與“動態”指標有關。

“目前規範規定的渦振加速度，設計容許最大值為0。1個重力加速度，高於這個值的振動，會讓人感到不舒服。此次振動加速度超過了這個值，人的感受就很明顯了。”陳政清揭秘了虎門大橋渦振給人的視覺“大片感”。不過，他補充，渦振振幅不大於0。35米時，車輛也能限速通行。

同樣是“振” 但風速高低有別

讓大家害怕的還有風速問題。無論鸚鵡洲橋還是虎門大橋，始作“風”的風速均不大。如此溫柔的風，都能讓大橋“飄”起來，遇上臺風咋辦？

湖南大學土木研究院副院長華旭剛表示，橋樑渦振從理論上不能消除，只能透過技術降振。但不等於風速低能引發渦振的大橋就不能抵抗颱風等暴風侵襲，這是兩碼事。對於颱風等高風速產生的“顫振”，橋樑設計時有周密考量。

不過，關於虎門大橋渦振，尚有幾種猜測。

虎門大橋是上世紀90年代中期建設的海邊大跨度懸索橋，為箱梁結構，橋面呈流線型，其抗風效能理論上良好，此前也未出現過明顯渦振。此次出現，或因近期大橋施工，在橋兩側加裝全長段臨時擋板有關。

歷史上，有個著名的“小風吹垮大橋”案例，即美國塔科馬海峽大橋在微風中塌陷。“塔科馬海峽大橋橋面呈H型，是最不能抵抗渦振的形狀。虎門大橋在施工中全線安裝擋板後，也就從流線型變成了H型，類似塔科馬海峽大橋橋面。”陳政清說。

專家還有種猜測，與大橋“阻尼比”有關。通俗說，“阻尼比”類似病毒抗體，代表其抵抗大橋振動的能力。阻尼比越小，大橋抗震能力就越低。虎門大橋存在25年之久，是否有可能阻尼比變小，影響到抗渦振能力？

人們都在糾結溫柔的風吹動了堅固的橋。但其實風溫柔與否不是重點，吹的角度才有技術含量。這個技術叫“攻角”。“春天為啥好放風箏？因為氣流從下往上形成‘攻角’。通常攻角不超過3度，所以風洞試驗是按正負3度進行測試。如果颳風攻角大於3度，就可能引起振幅高於設計振幅。”陳政清說。

風還是溫柔的風，只是今年“攻角”可能更大。換言之，不是颳風就會渦振。要引起渦振的條件頗苛刻：如風向基本和橋面正交，形成“正攻角”；風要“平穩”，紊流度小，而非風速忽高忽低。

大跨度橋樑越來越多 渦振“中國問題”要重視

“我們的抗風規範，主要針對跨度200米以內的橋樑設計。跨度小的橋樑不存在明顯渦振問題。但大跨度橋樑，特別是懸索橋及連續梁橋，都易遇渦振問題，因此通常採用風洞試驗測試。”陳政清說。

全球自上世紀90年代起，就發生過多個大跨度懸浮橋的渦振。緣何今日存在這類渦振？陳政清認為，面對大跨度橋樑高階模態渦激共振，存在一個亟須解決的“中國問題”，即抗風規範應進一步完善，考慮大跨度橋樑的多階渦振可能性。

“渦振受風和橋樑自身結構影響。風不能人為控制，但我們能從橋樑上想辦法。”陳政清說。

辦法主要有兩種：加大阻尼比，或改變橋樑氣動形狀。國外內大量調查研究表明，多數橋樑實際阻尼比低於規範阻尼比。因此可藉助增加阻尼器來增大橋樑阻尼比。如湖南大學研究團隊考量橋樑阻尼器“長壽”因素，發明的電渦流阻尼器，能將震動轉為電力消耗掉，變相增大阻尼比。同時，在對大跨度橋樑進行風洞試驗時，適度調低測試阻尼比。

橋樑結構也很重要。湖南杭瑞高速動力谷大橋、矮寨橋等大跨度橋樑，均採用桁架橋結構，抗渦振能力更強。不過，對已成型的橋樑，進行氣動外形改良也是研究熱點。這些研究包括橋位風環境數值模擬、大橋動力特性識別、健康監測系統升級及渦振大資料分析、大比例節段模型風洞試驗及減振措施、風—車—橋耦合振動分析等。（記者 俞慧友）