伏尔加大桥蛇形扭动

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70年前塔克马大桥扭曲晃动的奇景如今在伏尔加河上再次上演，随风舞动的大桥吸引了无数的眼光，这背后究竟是什么力量在作怪呢?

2010年5月20目前后，世界各地的人们通过电视、网络视频看到了极其惊人的一幕：当地时间19日晚，俄罗斯伏尔加河上的一座大桥发生离奇摆动，钢筋混凝土构建的大桥居然像着了魔一般呈波浪形翻滚，正在桥上行驶的车辆也跟着一起颠簸；同时，整个桥体也出现了较为明显的左右晃动……随后赶到的警方赶紧将大桥两端封闭。

在人们对桥梁即将倒塌的担心中，大桥居然逐渐恢复了平静。各路专家迅速赶至现场，开始对桥梁各处进行初步检查。但接下来发生的一切，却让很多人感到不可思议：经过实地勘察，专家们作出判断：大桥无裂纹、更无明显损伤。

离奇的晃动现象引发了民众的关注，他们认为这种现象可能是受到地震影响，或是大桥桥墩受到洪水冲击，俄罗斯部分专家表示，大桥的离奇晃动可能是因为风波动和负载共振而发生，至于更深的原因，还有待进一步调查分析。

塔科马大桥的倒掉

但热心的民众对专家的“进一步调查”显得没什么耐心，理性的民众通过网络翻出了一段历史旧账：1940年美国塔科马海峡吊桥垮塌的视频。在这段历史画面中，号称当时世界第三的塔科马大桥“身姿摇曳”，最终像玩具积木一股瓦解……

塔科马大桥的设计师，系大名鼎鼎的旧金山金门大桥的设计师之一，里昂・莫伊塞弗(Leon Moisseiff)，他认为斜拉索大桥主缆本身可以吸收一半来自风的压力，桥墩和索塔也可以透过传导分散这些能量，于是大桥主梁从原先的7.6米缩减为24米，设计成本也从千万美金降至800万，在经济大萧条后的年月里，政府为了减少成本，最终通过了他的方案。

1938年9月27日塔科马大桥开始建造，2年后的7月建成通车，但仅在启用后的几个星期，桥面便开始出现摆动，平日里的微风便能让该桥“随风起舞”，碰上大风天，桥面摆动甚至可达2米之多!于是，工程人员在桥的两岸放置巨大的水泥墩，用缆索与桥体相连，试图减轻震荡，但是缆索被桥面拉断，增加缆索并添加阻尼液压缓动装置也未能奏效。

华盛顿大学的法库哈森教授被请来继续解决这个难题，他通过严格的模型试验，得出了两种解决办法：或者在大桥侧面打孔，或者把桥体侧面改成流线型以减少风阻。

可事情已经来不及了，就在第二套方案通过后的第5天，这座纤细优雅的大桥已然坍塌了。

共振才是元凶

后来的事实证明，材料上的“缩水”并非大桥坍塌的主要原因，真正让大桥瓦解的元凶，是工程设计上的局限――当时的土木工程师没有预见到空气动力给桥梁带来的共振影响。甚至在大桥倒塌后不久的新桥规划上，华盛顿州州长还称将按照旧桥的基本结构再造一座新桥。

而所有这一切，都因为一位叫做西奥多・冯・卡门(Theodore yon Karman)的空气动力学家而改变。

在州长声明刊出之后的当天晚上，冯・卡门便向州长发去电报，强调若按照老桥样式建造，那么新桥就会重蹈老桥覆辙。而其中奥妙，便来自冯・卡门自己的发现：在流体中安置阻碍物，特定条件下在阻体下游两侧，会产生两条非对称排列的涡旋，其中一侧为顺时针方向，另一侧则反之。如同街道两旁的街灯一般，由于冯卡门率先从理论上进行了系统阐述，遂得名为卡门涡街。而在塔科马的事故中，当稳定的层流风吹向障碍物时。风力将分流绕过其断面层形成交替周期性的涡流脱落，引起的共振最终使得大桥坍塌。

最终，冯・卡门的建议得以采用。在接下来的半个世纪里，两座新桥拔地而起，而类似的事故，再也没有发生过。

不过，塔科马大桥并不是被“共振”掉的第一座桥。

共振对于桥梁等建筑带来的破坏性自古皆有，早在18世纪中叶，法国昂热一队士兵在指挥官口令下迈着整齐的步伐过桥，桥梁却突然断裂。当时的人们百思不得其解，后来的科学发现，大队士兵迈正步过桥时的频率和大桥固有频率一致，桥的震动加强，当振幅超过桥梁负荷时，看似坚固的大桥就会在一瞬间土崩瓦解。

19世纪也有十几座悬索桥因风的缘故坍塌，冯・卡门涡街引起共振导致桥梁坍塌只是其中之一而已。自此以后，建筑设计师们在设计大型桥梁和建筑的时候不但要经过精密计算、模型试验，还要研究空气动力学。

两种搬动备不同

那么，伏尔加河大桥又是怎么回事?是重蹈覆辙了么?难道俄罗斯的工程师们没有考虑到空气动力的影响么?

事实上并非如此。

在桥梁动力建筑作用中，常见的振动有风力振动、地震振动以及移动物体荷载下的强迫振动，此外，水中桥墩在水流作用下，也会产生动力效应。从风致振动层面分析，不仅有塔科马式的振颤破坏，还有驰振、涡振、抖振以及拉索的风雨振等动力问题。此外，不同类型的桥梁，受到的影响也会有所不同。

塔科马大桥扭曲式左右摇摆，而伏尔加河大桥主要为桥面起伏，伴随桥身左右水平摇晃――两座大桥的不同的建筑形式以及结构注定其背后机理很不相同。塔科马为钢箱梁悬索桥，而伏尔加河大桥为混凝土梁桥，结构形式不同，自身刚度差别也很大；塔科马大桥因为主梁发生剧烈扭转变形，拉索断裂并最终导致破坏，而伏尔加河大桥主梁则有横向刚度较大的Y形桥墩支撑，几乎没有发生扭转。

在塔科马大桥以前从未发生过这种破坏性扭转，它的出现，引起结构工程师的巨大关注，学界也开始密切监测桥梁的振动图示。20世纪的悬索桥其发展依赖于较低的梁刚度，而对风激扭转运动负有责任的流体力学机理至今还未被彻底了解，抵抗此类不稳定状况的估算乃至设计的能力也十分有限。

科学在事故中推进

其实，对1940年塔科马大桥坍塌的深度解释还远未结束，科学界发现卡门涡街在一些状况下也只能引起有限的扭转振动，并不一定造成大幅扭转，他们一直在想方设法创造新的不稳定结构。

塔科马大桥和伏尔加河大桥的倒塌虽然在深层次机理上存在着巨大的不同，但有一点却是完全一致的：遇到过去被忽略或者不甚了解的设计因素，为科学提供了机会――1940年塔科马大桥的垮塌，推动了桥梁史上对风振领域的探索；币伏尔加河大桥，或将成为工程师们下一个突破的里程碑。更为重要的是，这次桥梁没有倒塌，没有人员伤亡，生命安全比一切都重要。