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印度吊桥真的是被晃塌的么?
作者:文/瘦子鱼 来源:中国公路微信公众号 时间:2022-11-02

当地时间10月30日18时42分左右,印度西部古吉拉特邦莫尔比市的一座吊桥倒塌,导致桥上人群落水。截至10月31日上午,已造成至少141人死亡、50人受伤,其中包括47名儿童,最小的孩子仅两岁。目前,已有9名相关责任人被捕。

印媒称,这座百年老桥在经过大规模维修和改造后,于5天前重新开放。10月30日傍晚桥梁倒塌时,桥上挤满了人。一段视频显示,此前曾有很多人在桥上蹦跳和奔跑,吊桥也因此而出现晃动。当地民众表示,事故发生前,多名年轻人摇晃吊桥,工作人员无视提醒。

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▲新德里电视台曝光的一段视频显示,事故发生的一天前,有近百人聚集在桥梁上疯狂摇晃,还有人用脚踹桥梁的绳索。图源:澎湃新闻

“一些年轻人故意摇晃桥”“我提醒值班人员去制止,但他们只对卖票感兴趣,告诉我们没人管”“几个小时后,桥就塌了”……多家印媒发布、转载了事发前去过现场的目击者说法。

之后,英美媒体报道的一段监控录像视频,似乎证实了目击者的指控。

吊桥真的是被晃塌的么?

仅靠人力真的能摇断这么大一座桥吗?其实这是有可能的。如果摇晃的频率恰好与大桥的固有频率接近,就会引发桥梁共振。这种共振会使摇晃的能量不断叠加,晃动幅度越来越大,最终因结构无法承受而造成断裂。

共振的威力到底有多大,相信很多人都听说过一个例子。在1906年的时候,有一支沙俄的军队过一座桥,这支军队纪律严明,过桥时也保持着齐步走的状态。每一个人都同时落足,达到了共振状态,结果桥就塌了。从此以后,军队过桥时就改为随意行走了。

事实上,这并不是历史第一次出现悬索桥剧烈晃动导致坍塌的现象,这类事件可以追溯到20世纪40年代美国的塔科马海峡大桥,这座全长1524米的大桥命运十分悲惨,在通车不久后,大桥就出现了异常猛烈的抖动。整座桥左右抖动,远看就像一根麻花一样,最终整座桥在强烈的振动中坠毁。

异常抖动的悬索桥

你可能觉得上面提到的两座吊桥之所以会坍塌是因为结构不够牢固,但事实并非如此。

吊桥,又名悬索桥,是主要承重结构由缆索(包括吊杆)、塔和锚碇组成的桥。缆索的几何形状由力的平衡条件决定,单独悬索即为悬链线,加上加劲梁后主缆线形介于悬链线和抛物线之间。从缆索垂下的吊杆将桥面吊住,在桥面处常设置加劲梁,与缆索一起形成组合体系以减小活载挠曲变形。现代悬索桥是由发源于中国的古代索桥演变而来,主要适用于大跨度及特大跨度桥梁,是跨越能力最大的桥型。

因为悬索桥灵活多变且跨度大,能适应大风以及地震,因此在我国广泛建造。但同时,因为大桥比较灵活,不稳重,比较容易出现异常抖动。

2020年5月5日,在珠江上屹立了23年的虎门大桥突然发生了异常晃动现象,大桥呈现小幅度的上下起伏,就像是波浪涌动一样。查询资料可以发现,武汉鹦鹉洲长江大桥、日本的东京湾大桥、俄罗斯的伏尔加河大桥等都曾出现过这样的现象。

悬索桥为何出现异常抖动?

究竟是什么导致了悬索桥的抖动呢?

我们把视角再次拉回到塔科马海峡大桥事件,在1940年塔科马海峡大桥坠毁事件之后,美国人就派出了事故勘测小组去寻找事故原因,其中有一位小组成员是著名的空气动力学家冯·卡门,他在勘测之时发现大桥的坠毁一方面是因为大桥的设计不合理,另一方面是因为在风力的作用下,大桥出现了扭曲变形,振动达到了大桥的固有频率,从而形成共振,最终引起了桥梁坍塌,这个原理也被称为“卡门涡振”。

2020年5月5日,虎门大桥突然发生抖动后,根据12名专家的讨论和分析,虎门大桥发生抖动的原因,同样是涡振现象。

涡振又叫涡激振动、涡激共振,是大跨度桥梁在低风速下出现的一种风致振动现象,涡激振动带有自激性质,但振动的结构反过来会对涡脱形成某种反馈作用,使得涡振振幅受到限制,因此涡振是一种带有自激性质的风致限幅振动。它不需要特别强烈的风,反而是在低速风的作用下才会产生。这也体现了共振的一个特点:不需要非常强大的能量,只要足够“精巧”,就能够产生意想不到的效果。

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▲2022年6月18日晚,舟山西堠门跨海大桥产生短时涡激共振现象,引起社会关注。图源:大河报网

“就像桥上不能多人齐步走的道理一样。”相关专家介绍,桥梁发生涡振不是因为风有多大,而是风荷载引起的共振效应。钝体截面受到均匀流作用时,在截面背后会形成旋涡脱落,从而产生周期变化的涡激力。如果被绕流的物体是一个振动体系时,周期性的涡激力将引起结构的涡振,并且在旋涡脱落频率与结构的自振周期一致时发生涡振。桥梁遇到特殊风况会晃动是正常的,而遇到旋涡风时,桥面晃动比较大。

结语

悬索桥容易抖动,那还靠谱么?其实大可不必担心。涡振是各种结构最容易出现的振动,包括桥塔、拉索、主梁和高耸建筑物。从流体的角度来分析,任何非流线型物体,在一定的恒定流速下,都会在物体两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡。但是涡振相对来讲,对于结构的危害有限,因为当结构的振动幅度持续增大时,气流受到结构振动的影响,漩涡的周期性脱落就会被破坏。通俗地说,涡振和气流之间相互制衡,涡振振幅无法无限增大,很少会造成结构的彻底损坏。为了抑制涡激振动,通常的方法是经过风洞试验,选择一个合适的截面来破坏漩涡的脱落,减小涡激振动的响应。

从美国塔科马海峡大桥断裂开始,几乎所有人都认识到了共振的威力,从此之后的桥梁几乎都必须经过风洞实验才能开始建造,因此我们不必担心出现断裂事故,一般的振动都是在正常范围之内的。

参考资料:

《CIS科研项目:多少人能晃塌一座桥?》 知乎 CIS科研项目

《去年晃动虎门大桥,今年晃动355米大厦,共振有多厉害》 微博姿势分子-knowledge

《科学家破解桥梁摇晃之谜》 中国科学报 晋楠

《悬索桥靠谱吗?为何悬索大桥总是异常抖动?其构造和原理是什么》 你好科普菌

《印度吊桥倒塌前多人故意摇桥 工作人员无视民众提醒》 海外网

《印度拉索桥断裂致至少141死,曝出事发前有年轻人“故意晃桥”》 今日头条 观察者网

《新闻背后 | 造成虎门大桥异常抖动的“涡激振动”现象》 中央纪委国家监委网站 徐梦龙

《多少人能晃塌一座桥?》 我们都爱地理

【编辑:任燕】

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