Tacoma Bridge顫振

塔科馬海峽大橋位于美國華盛頓州，1940年7月1日通車，四個月后卻在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拍攝了下來，該橋因此聲名大噪。事實上，該橋僅在啟用后的幾個星期，橋面便開始出現(xiàn)擺動，平日里的微風(fēng)便能讓它“隨風(fēng)起舞”，碰上大風(fēng)天，橋面的擺動甚至可達(dá)2米之多，該橋也因此被當(dāng)?shù)鼐用穹Q為“舞動的格蒂”。

塔科馬大橋的設(shè)計師，系大名鼎鼎的舊金山金門大橋的設(shè)計師之一里昂·莫伊塞弗，他認(rèn)為斜拉索大橋主纜本身可以吸收一半來自風(fēng)的壓力，橋墩和索塔也可以透過傳導(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)計上的局限——當(dāng)時的土木工程師沒有預(yù)見到空氣動力給橋梁帶來的共振影響。該橋的風(fēng)毀事故立即震動了世界橋梁界，從此也引發(fā)了科學(xué)家們對橋梁風(fēng)致振動問題的廣泛研究。

東京灣大橋渦振

日本東京灣通道橋主橋為10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，跨中振幅達(dá)50cm。這是由于氣流經(jīng)過鈍體橋梁結(jié)構(gòu)時產(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力，當(dāng)旋渦脫落頻率接近于橋梁的某個固有頻率時，就激發(fā)了橋梁的渦激共振。

雖然渦激共振不會像顫振一樣引起橋梁毀滅性的破壞，但頻繁持續(xù)的渦振會造成橋梁構(gòu)件疲勞破壞，并引起行人和行車不舒適，因此避免渦激共振也是橋梁抗風(fēng)設(shè)計的重點之一。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，而抑制渦振發(fā)生的最好辦法就是通過風(fēng)洞試驗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河大橋發(fā)生離奇擺動，鋼筋混凝土構(gòu)建的大橋竟呈波浪形翻滾，整個橋體也出現(xiàn)了較為明顯的左右晃動，并發(fā)出震耳欲聾的聲音，正在橋上行駛的車輛也在滾動中跳動。大橋振動停止后，專家檢查了橋梁各處道路和圍欄等，發(fā)現(xiàn)橋梁無裂紋，無損傷。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。俄羅斯著名橋梁專家阿納托利則表示，這種現(xiàn)象是由于風(fēng)波動和負(fù)載所共振而引發(fā)的。

以上幾組實例概括了柔性橋梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)致激勵下兩類典型失穩(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，人們對塔科瑪橋的風(fēng)毀事故的原因進(jìn)行了研究。一開始，就有二種不同的意見在進(jìn)行爭論。—部分航空工程師認(rèn)為塔科瑪橋的振動類似于機翼的顫振；而以馮卡門為代表的流體力學(xué)家認(rèn)為，塔科瑪橋的主梁有著鈍頭的H型斷面，和流線型的機翼不同，存在著明顯的渦旋脫落，應(yīng)該用渦激共振機理來解釋。馮·卡門1954年在《空氣動力學(xué)的發(fā)展》一書中寫道：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)計的人想建造一個較便宜的結(jié)構(gòu)，采用了平板來代替桁架作為邊墻。不幸，這些平板引起了渦旋的發(fā)生，使橋身開始扭轉(zhuǎn)振動。這一大橋的破壞現(xiàn)象，是振動與渦旋發(fā)放發(fā)生共振而引起的。

事實上，以現(xiàn)代科學(xué)眼光來看，此類振動到底歸于哪類、孰是孰非，過早下結(jié)論仍是比較困難的事情。

下面簡要介紹下兩類觀點代表性人物：

馮·卡門

Karman Vortex Street

1997年匈牙利發(fā)行一張馮·卡門紀(jì)念郵票，以卡門渦街為背景

馮·卡門是美藉匈牙利力學(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日卒于德國亞琛。他在美國加州理工學(xué)院的研究生中，有中國學(xué)者錢學(xué)森、郭永懷、錢偉長，以及美藉華人學(xué)者林家翹等，他的學(xué)術(shù)思想對中國力學(xué)事業(yè)的發(fā)展起了積極的作用。他善于透過現(xiàn)象，抓住事物的物理本質(zhì)，提煉出數(shù)學(xué)模型，樹立了現(xiàn)代力學(xué)中數(shù)學(xué)理論和工程實際緊密結(jié)合的學(xué)風(fēng)，奠定了現(xiàn)代力學(xué)的基本方向。1911年，德國科學(xué)家馮·卡門從空氣動力學(xué)的觀點找到了這種渦旋穩(wěn)定性的理論根據(jù)。

流體繞過非流線形物體時，物體尾流左右兩側(cè)產(chǎn)生的成對的、交替排列的、旋轉(zhuǎn)方向相反的反對稱渦旋?？ㄩT渦街是粘性不可壓縮流體動力學(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，都會產(chǎn)生卡門渦街。出現(xiàn)渦街時，流體對物體會產(chǎn)生一個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)生振動和破裂。但是利用卡門渦街的這種周期的、交替變化的性質(zhì)，可制成卡門渦街流量計，通過測量渦流的脫落頻率來確定流體的速度或流量。

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

2002年12月1日，Madeira島上空的卡門渦街

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，在南非長大。成年后就讀于劍橋大學(xué)，獲得力學(xué)專業(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。后期成為加拿大西安大略大學(xué)教授和大氣邊界層風(fēng)洞實驗室開創(chuàng)者，他還曾經(jīng)擔(dān)任過加拿大皇家海軍的飛行員。