蔡榮根觀點:虎門大橋為什麼會跳曼波?

2020-05-17 06:40

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中國虎門大橋在沒有地震和颱風的情況下,橋面版發生明顯的上下起伏波浪式晃動。(新華社)

中國虎門大橋在沒有地震和颱風的情況下,橋面版發生明顯的上下起伏波浪式晃動。(新華社)

5月5日下午,廣東珠江口的虎門大橋在沒有地震和颱風的情況下,橋面版發生明顯的上下起伏波浪式晃動,專家現場看了後研判說:「由於大橋養護施工單位沿橋面側邊設置水馬(內部充水,用以防撞的護欄),使得鋼箱梁的氣動外形也隨之改變,在特定風環境條件下,產生了橋樑渦振現象。」

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那什麼是「橋梁渦振現象」?精確的說法應該是:「橋梁被氣流所產生的漩渦所激發之共振現象」,專家的通病就是,愈說愈讓人糊塗。我們在這裡試著以大家容易理解的方式來解釋,為什麼加了小小的水馬後會讓虎門大橋大跳曼波?

美國塔科馬海峽吊橋的前車之鑑

專家可以這麼快就對虎門大橋的激烈晃動下結論? 那是因為有1940年美國華盛頓州的塔科馬海峽吊橋(Tacoma Narrows Bridge)崩塌的前車之鑑可供參酌。塔科馬吊橋也是跟虎門大橋一樣的懸索橋,1940年7月剛建成通車時,就發現只要在每秒2公尺的輕風下,橋面版就會有上下波浪式起伏振動,橋管單位一方面裝設錄影機全程監測,一方面尋找原因及解決方法。但最終在四個月後,於1940年11月7日下午,在風速每秒約19公尺,相當於8級風下,因波浪式起伏加劇而崩塌。大家有興趣的話,上網很容易找到當初崩塌時的記錄影片。事後追查原因就是:「橋梁被氣流所產生的漩渦所激發之共振現象」。

先說明氣流為什麼會產生漩渦? 試想我們如果赤足(面對上游)站在流動的溪流中,溪水會從我們腳跟兩側流過,然後會在我們腳跟後不斷製造漩渦。美籍匈牙利裔流體力學家西奧多.馮.卡門(Theodore von Kármán)首先用理論闡述這現象。

馮.卡門說,當流體流經直立的圓柱體時,流體被圓柱體所擋,在圓柱體正面形成高壓區,圓柱體背面則成為低壓區,由於流體都是由高壓區往低壓區流動,所以當流體從圓柱體兩側往後流動時,兩側會形成漩渦旋轉向圓柱體背面,圓柱體兩側只要有一點點小小的差異,成對的漩渦就會交錯出現,一側漩渦是順時針轉,另一側漩渦就是逆時針轉,每對漩渦最後中心點對齊,合而為一再繼續往下流,如此周期性的出現成對交錯的漩渦。連續的漩渦就像渦在一條街上,也像街道兩側的街燈從高處往街道投射燈光一樣。因此被稱為「卡門渦街(von Kármán vortex street)」。不只流體通過圓柱體,流體通過任何阻流障礙物時都會產生「卡門渦街」現象。

馮.卡門說,他在義大利北部博洛尼亞的一座教堂哩,看過一幅描述聖克裡斯多福背著少年耶穌赤足渡河的油畫,畫家描繪了河水在聖克裡斯多福腳跟處形成的交替的漩渦,這是最早被紀錄的卡門渦街現象
馮.卡門說,他在義大利北部博洛尼亞的一座教堂哩,看過一幅描述聖克裡斯多福背著少年耶穌赤足渡河的油畫,畫家描繪了河水在聖克裡斯多福腳跟處形成的交替的漩渦,這是最早被紀錄的卡門渦街現象

塔科馬海峽吊橋的設計工程師是萊昂·莫伊塞夫(Leon Moisseiff),莫伊塞夫同時也是舊金山金門大橋的設計人,參與過幾乎所有美國大型懸索橋的設計,那為何只有塔科馬吊橋會因為卡門渦街效應而崩塌? 關鍵是莫伊塞夫為了使大橋更加的纖細優雅,採用2.4公尺高的鋼版梁代替原計劃中7.6公尺高的桁架梁,而鋼版樑缺少了桁架梁的透風性,恰為卡門渦街效應提供了形成條件,這空氣動力學的問題在當時還沒有任何結構工程師了解。(重建後的塔科馬吊橋恢復採用桁架梁)

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