啥?引发虎门大桥异常振动的卡门涡街,还能发电?

作者:朱磊来源:蝌蚪五线谱发布时间:2020-05-11

大桥摇晃与风产生的卡门涡街有关,它不但可毁坏桥梁,还能用于发电。

最近,“基建狂魔”种花家的气温高了,就连大桥似乎也有些“飘”了。4月26日,武汉鹦鹉洲长江大桥像波浪一样起伏,吓煞一众路人。一波未平一波又起,5月5日,广东虎门大桥也出现大幅摇晃,瞬间引发网友们热议。

作为中国自行设计建造的第一座现代化特大型悬索桥,虎门大桥被认为是我国二十世纪桥梁建设领域的最高成就,其建成通车不过二十年,按照我国桥梁建设动辄一百年的规划标准,基本可排除存在设计缺陷的可能性。其实,鹦鹉洲长江大桥和虎门大桥的摆动都与风有关,罪魁祸首正是风产生的卡门涡街。

虎门大桥大幅摆动,图自央视网新闻

虎门大桥大幅摆动,图自央视网新闻


卡门涡街是什么鬼?

如果徜徉在小桥流水间,你一定会发现,当河水流速较快时,水流在遇到桥墩后会被分成两股绕行。奇妙的是,两股水流并不对称,而是呈现出两组交替的小漩涡向下游运动,比如这样:

卡门涡街示意图

卡门涡街示意图(图片来源:维基百科)

类似上面这种流体绕过物体时产生两排交错涡旋的现象,在流体力学中被称为卡门涡街,最初由钱学森的导师——冯·卡门发现并命名。至于为何两排涡旋不对称,至今仍是困扰流体力学家的一个迷。

日常生活中,当风吹过桥面时大多都会形成卡门涡街,两组周期性的、交替变化的涡旋分别对桥面上下产生作用力,桥面就随之振动起来。不过,由于桥面通常设计成流线型,两组涡旋紧贴桥面,作用力较小,引起的振动幅度很小,平时很难被察觉到。然而,近期人们在对虎门大桥进行维护时,在桥面上放置了一排隔离挡板。这些一米多高的小家伙瞬间破坏了大桥的气动外形,两组涡旋与桥面脱离,作用力的大小和频率都增大,一旦作用频率与桥梁本身固有频率一致而形成共振,桥面产生显著起伏也就不足为奇了。

虎门大桥桥面放置的隔离挡板改变了大桥气动外形,图自央视网新闻

虎门大桥桥面放置的隔离挡板改变了大桥气动外形(图片来源:央视网新闻)


卡门涡街有何危害?

卡门涡街常常对桥梁造成危害,其中最经典的案例莫过于美国塔科马大桥的坍塌。1940年11月,建成仅4个月的塔科马大桥在低速风中发生强烈摆动,振动幅度一度达到惊人的9米,随后桥梁轰然垮塌坠入海中。后来的研究表明,事故元凶正是卡门涡街引起的共振。塔科马大桥的坍塌震惊了当时的桥梁界,此后桥梁模型风洞测试被纳入桥梁试验中,桥梁的风致振动问题也发展成为一门新兴学科。

塔科马大桥垮塌瞬间

塔科马大桥垮塌瞬间(图片来源:搜狐)

值得一提的是,卡门涡街似乎对悬索桥情有独钟,鹦鹉洲长江大桥、虎门大桥与塔科马大桥均为悬索桥。悬索桥,即俗称的吊桥,由于无需在桥中心设置桥墩,可以造得很高,常用于跨水大桥的设计中,以便船舶自由通行。但悬索桥却有个先天的毛病——固有频率低、稳定性差,因此它对风载荷非常敏感,很容易受到卡门涡街的影响。不过,自塔科马大桥之后,现代悬索桥在建设前都会考虑抗风振设计,建成后也会安装桥梁变形实时监测系统,因而行经悬索桥时大可不必恐慌。

悬索桥是卡门涡街最为偏爱的桥梁

悬索桥是卡门涡街最为偏爱的桥梁(图片来源:中资路桥)

除了桥梁,卡门涡街还可能给高楼、烟囱等建筑带来安全隐患,在中央广播电视塔、东方明珠电视塔建造前,都曾考虑了卡门涡街的因素。


卡门涡街的妙用

事物总有两面性,卡门涡街也并非无恶不作,它同样能够为人所用。既然卡门涡街可以对物体施加周期性的作用力,何不用它来发电呢?哈尔滨工程大学的科研人员就设计了这样一种发电装置。他们制作的迎风桶在风的吹拂下可产生卡门涡街,周期性作用于放大板,使其做往复摆动,从而带动发电机转子旋转,切割磁感线产生电流。

此外,人们研究流水中的卡门涡街后进一步发现,在障碍物两侧形成的涡旋交替频率与被阻塞的流量成正比,因此发明了涡街流量计,用以测量管道内的流量。如今,涡街流量计已被广泛应用于工业生产中。

涡街流量计原理示意

涡街流量计原理示意(图片来源:instrumentationtools)


扫码加蝌蚪五线谱微信