很多新聞報(bào)道都提到，相關(guān)部門(mén)組織專(zhuān)家進(jìn)行研判，初步判斷虎門(mén)大橋振動(dòng)的主要原因是：沿橋跨邊護(hù)欄連續(xù)設(shè)置水馬，改變了鋼箱梁的氣動(dòng)外形，在特定風(fēng)環(huán)境條件下，產(chǎn)生了橋梁渦振現(xiàn)象。

今天我們就來(lái)聊聊渦振的事情。

1.卡門(mén)渦街

渦振是一個(gè)很專(zhuān)業(yè)的名詞，在這次事件之前并不為人熟知。那什么是渦振呢？這要從“卡門(mén)渦街”說(shuō)起。卡門(mén)渦街是以空氣動(dòng)力學(xué)泰斗馮·卡門(mén)的名字來(lái)命名的。馮·卡門(mén)這個(gè)名字大家未必熟悉，但如果告訴你他是錢(qián)學(xué)森先生的導(dǎo)師，相信你一定會(huì)對(duì)這位學(xué)術(shù)大家肅然起敬的。

卡門(mén)渦街是指在一定的速度范圍，流體繞經(jīng)鈍體時(shí)，在其兩側(cè)交替形成漩渦脫落，并在其后方排列為對(duì)稱(chēng)的渦旋結(jié)構(gòu)，如下圖：

而當(dāng)流體繞經(jīng)“流線型”物體時(shí)，則往往會(huì)一直“貼著”物體表面流動(dòng)，不會(huì)發(fā)生流動(dòng)分離形成卡門(mén)渦街，如下圖：

現(xiàn)代橋梁為了盡量抑制“卡門(mén)渦街”的產(chǎn)生，往往通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化選型，采用流線型的橋梁斷面。虎門(mén)大橋的橋梁斷面也是流線型的，此次發(fā)生渦振，專(zhuān)家組的初步判斷就是放置水馬之后，使流線型的鋼箱梁“鈍化”，出現(xiàn)了比較顯著的漩渦脫落，進(jìn)而造成渦振。

卡門(mén)渦街無(wú)處不在，尺度范圍跨度極廣，可以從毫米跨越到公里。

下圖是在水槽實(shí)驗(yàn)室中，采用電解沉淀法獲得的圓柱繞流的卡門(mén)渦街照片，其尺度僅數(shù)厘米。

下圖是風(fēng)繞經(jīng)智利塞爾科克島后形成的卡門(mén)渦街，其尺度達(dá)到數(shù)百公里。

2.渦脫落頻率和渦激振動(dòng)

卡門(mén)渦街的漩渦脫落是周期性的，其脫落頻率f可以用斯特勞哈爾數(shù)（Strouhal number）來(lái)計(jì)算：

其中U和b分別是來(lái)流速度和鈍體迎風(fēng)寬度。斯特勞哈爾數(shù)是無(wú)量綱參數(shù)，它和鈍體的外形有關(guān)。比如歐洲規(guī)范EN1991-1-4《結(jié)構(gòu)作用-風(fēng)力作用》就給出了常見(jiàn)截面的St數(shù)，其中圓形和矩形截面的取值如下：

3.高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)的渦振

不止橋梁會(huì)出現(xiàn)“渦振”，高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)中的渦振現(xiàn)象也很普遍。

設(shè)計(jì)人員常接觸到的所謂“橫風(fēng)向振動(dòng)”，往往就是“渦激振動(dòng)”。如前所述，卡門(mén)渦街是周期性的渦脫落，所以能量比較集中，從下面頻譜的對(duì)比中也可看出漩渦脫落的卓爾不群（黑線和紅線分別是順風(fēng)向湍流和橫風(fēng)向漩渦脫落脈動(dòng)風(fēng)荷載能量在頻域上的分布）。

由于橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)荷載能量集中在渦脫落頻率附近，所以當(dāng)高層和高聳結(jié)構(gòu)的自振頻率與渦脫落頻率接近時(shí)，會(huì)發(fā)生比較強(qiáng)烈的共振，此時(shí)橫風(fēng)向風(fēng)荷載經(jīng)常會(huì)起控制作用。

就是某超高層的風(fēng)振計(jì)算結(jié)果，可以看到在漩渦脫落的激勵(lì)下，橫風(fēng)向（X向）的振幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于順風(fēng)向（Y向），而建筑兩側(cè)面藍(lán)色深淺的周期性變化，則揭示了在建筑兩側(cè)發(fā)生的周期性漩渦脫落。

此外，在超高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，還經(jīng)常采取各種氣動(dòng)優(yōu)化措施來(lái)破壞周期性的規(guī)則渦脫落，或降低渦脫落強(qiáng)度：比如對(duì)超高層建筑截面削角、切角，煙囪上纏上螺旋線等等。

有時(shí)，建筑師對(duì)于建筑造型比較堅(jiān)持，我們也可以采用TMD或TLD等風(fēng)振控制措施來(lái)抑制高層建筑的橫風(fēng)向渦振，這個(gè)問(wèn)題我們下次再說(shuō)。