當(dāng)?shù)貢r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(dǎo)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(guān)責(zé)任人被捕。

(資料圖片僅供參考)

印媒稱，這座百年老橋在經(jīng)過大規(guī)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(xiàn)晃動。當(dāng)?shù)孛癖姳硎?，事故發(fā)生前，多名年輕人搖晃吊橋，工作人員無視提醒。

▲新德里電視臺曝光的一段視頻顯示，事故發(fā)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(fā)布、轉(zhuǎn)載了事發(fā)前去過現(xiàn)場的目擊者說法。

之后，英美媒體報道的一段監(jiān)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(fā)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(jié)構(gòu)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(jì)律嚴(yán)明，過橋時也保持著齊步走的狀態(tài)。每一個人都同時落足，達到了共振狀態(tài)，結(jié)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(xiàn)懸索橋劇烈晃動導(dǎo)致坍塌的現(xiàn)象，這類事件可以追溯到20世紀(jì)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(xiàn)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(jié)構(gòu)不夠牢固，但事實并非如此。

吊橋，又名懸索橋，是主要承重結(jié)構(gòu)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(shè)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(xiàn)代懸索橋是由發(fā)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(yīng)大風(fēng)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(wěn)重，比較容易出現(xiàn)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(fā)生了異?；蝿蝇F(xiàn)象，大橋呈現(xiàn)小幅度的上下起伏，就像是波浪涌動一樣。查詢資料可以發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)過這樣的現(xiàn)象。

懸索橋為何出現(xiàn)異常抖動？

究竟是什么導(dǎo)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(xué)家馮·卡門，他在勘測之時發(fā)現(xiàn)大橋的墜毀一方面是因為大橋的設(shè)計不合理，另一方面是因為在風(fēng)力的作用下，大橋出現(xiàn)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(fā)生抖動后，根據(jù)12名專家的討論和分析，虎門大橋發(fā)生抖動的原因，同樣是渦振現(xiàn)象。

渦振又叫渦激振動、渦激共振，是大跨度橋梁在低風(fēng)速下出現(xiàn)的一種風(fēng)致振動現(xiàn)象，渦激振動帶有自激性質(zhì)，但振動的結(jié)構(gòu)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(zhì)的風(fēng)致限幅振動。它不需要特別強烈的風(fēng)，反而是在低速風(fēng)的作用下才會產(chǎn)生。這也體現(xiàn)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(chǎn)生意想不到的效果。

▲2022年6月18日晚，舟山西堠門跨海大橋產(chǎn)生短時渦激共振現(xiàn)象，引起社會關(guān)注。圖源：大河報網(wǎng)

“就像橋上不能多人齊步走的道理一樣?！毕嚓P(guān)專家介紹，橋梁發(fā)生渦振不是因為風(fēng)有多大，而是風(fēng)荷載引起的共振效應(yīng)。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(chǎn)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(jié)構(gòu)的渦振，并且在旋渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)的自振周期一致時發(fā)生渦振。橋梁遇到特殊風(fēng)況會晃動是正常的，而遇到旋渦風(fēng)時，橋面晃動比較大。

結(jié)語

懸索橋容易抖動，那還靠譜么？其實大可不必擔(dān)心。渦振是各種結(jié)構(gòu)最容易出現(xiàn)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(cè)交替地產(chǎn)生脫離結(jié)構(gòu)物表面的旋渦。但是渦振相對來講，對于結(jié)構(gòu)的危害有限，因為當(dāng)結(jié)構(gòu)的振動幅度持續(xù)增大時，氣流受到結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的徹底損壞。為了抑制渦激振動，通常的方法是經(jīng)過風(fēng)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(yīng)。

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(jīng)過風(fēng)洞實驗才能開始建造，因此我們不必擔(dān)心出現(xiàn)斷裂事故，一般的振動都是在正常范圍之內(nèi)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(xué)家破解橋梁搖晃之謎》 中國科學(xué)報 晉楠

《懸索橋靠譜嗎？為何懸索大橋總是異常抖動？其構(gòu)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(wǎng)

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

《新聞背后 | 造成虎門大橋異常抖動的“渦激振動”現(xiàn)象》 中央紀(jì)委國家監(jiān)委網(wǎng)站 徐夢龍

《多少人能晃塌一座橋？》 我們都愛地理

關(guān)鍵詞： 虎門大橋 固有頻率 視頻顯示