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為何懸索大橋總是異常抖動?其構造和原理是什麼

無論在那個時代修橋鋪路,都是顛撲不破的致富真理,畢竟只有交通通暢,人們才能交流、才能通商、才能致富。我國古人深諳其中的道理,所以才有趙州橋、通惠橋、盧溝橋等名橋的誕生。但是,到了現代之後,人們講究效率,並且大橋的長度也愈發增長,因此精美的石拱橋逐漸退出了舞臺,轉而開始建設現代大橋。

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盧溝橋

其中,懸索大橋就是其中的佼佼者。從上世紀60年代開始,我國就開始攻關懸索橋技術,到如今懸索大橋已經遍佈四海八方。虎門大橋是我國第一座大型懸索大橋,至今屹立23年,但是在2020年5月時卻發生了大橋異常抖動事件,而這也並非是國內懸索大橋的第一起抖動事件。

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虎門大橋

為何懸索大橋總是出現異常抖動?其中的原理是什麼?與大橋的構造有關嗎?

懸索大橋的誕生

橋,從字面上來看就知道這是由木頭製作的工具,是架在水面上的木質通道,後來引申為架在懸崖峭壁之間的棧道。我國幅員遼闊,山川河流遍佈全國,這些河流雖然哺育了無數的華夏兒女,但是它們也成為阻礙人們交流的“天塹”,一片江水將人分割兩地。不過辦法總比困難多,聰明的古代人將木頭架在水上,形成了獨木橋,完美的解決了江水阻隔的問題。

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獨木橋

從此之後,橋這樣交通設施就在大江南北鋪排開來,我國也成為遠近聞名的“橋的國度”,總體來說我國的橋分三種木橋、石橋、索橋,而今天我們要講的就是索橋。索橋,在我國的歷史十分久遠,因為只需要些許竹子或者木板在再加上一些藤蔓或者繩索就能架設,在雲貴川等多山、多水的地方十分常見。

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索橋

在戰國時代四川就出現了竹索橋,秦取巴蜀正是利用了竹索橋,而四川的百米鐵索橋最早見於漢宣帝年間。同一時間段雲南建造了蘭津鐵索橋,貴州也在十七世紀出現了百米鐵索橋,而自詡為現代橋樑發源地的西方卻一直到17世紀才從中國瞭解到懸索橋,可見我國古代懸索橋是獨一無二的。近代以來,西方工業化革命他們在技術上超越了我們,在吸收了我國懸索橋的基礎上,將其改良成為現代懸索橋。

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竹索橋

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索橋

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瀘定橋

新中國成立之後,為了建設一個繁榮、有活力的國家,就需要將全國各地連線起來,給死水增添活力,因此打掉長江、黃河等大河的阻隔勢在必行。現代懸索橋的構造,在19世紀被髮明出來,脫胎於我國的索橋,不同於其他橋樑,懸索橋的受力裝置不是橋墩,而是懸索來承受拉力,因此一般使用鋼筋來製作。

異常抖動的懸索橋

懸索橋,因為靈活多變跨度大,能適應大風以及地震,因此在我國廣泛建造,重慶朝陽大橋、鵝公巖大橋,廣東虎門大橋,鸚鵡洲長江大橋等大橋都是懸索橋。這些橋飛架南北,將天塹變通途,架起了我國的文化、經濟發展之路。不過,懸索大橋也並非是完美的,因為大橋比較靈活,不穩重,比較容易出現異常抖動。

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鵝公巖大橋

在去年5月5日,在珠江上屹立了23年的虎門大橋突然發生了異常晃動現象,大橋呈現小幅度的上下起伏,就像是波浪湧動一樣。許多橋上的車輛感到明顯的抖動,現場十分的恐怖,讓人質疑大橋是不是要晃斷了,是世界末日來了嗎?雖然在大橋發生故障之後,廣東交管部門立即採取了行動,將大橋進行了管制,但是這並不能解開我們的疑問。

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虎門大橋抖動

事實上,這並不是我國第一次也不是歷史第一次出現懸索大橋抖動現象,大橋的異常抖動事件可以追溯到上世紀40年代美國的塔科馬海峽大橋,這架全長1524米的大橋命運十分悲慘,在通車不久之後,大橋就在出現異常兇猛的抖動,整座橋左右抖動,遠看就像一根麻花一樣,最終整座橋在強力的振動之下墜毀。無獨有偶,日本的東京灣大橋、俄羅斯的伏爾加河大橋、我國的鸚鵡洲長江大橋,都曾發生過這樣的現象。

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塔科馬海峽大橋

為何,懸索橋如此愛抖動呢?它們是有“多動症”嗎?究竟是什麼導致了橋樑抖動?

大橋為何出現異常抖動?

在1940年,出現第一例橋樑抖動導致的墜毀事件之後,美國人就派出了事故勘測小組去尋找事故原因,其中有一位小組成員是著名的空氣動力學家馮·卡門,他在勘測之時發現大橋的墜毀一方面是因為大橋的設計不合理,另一方面的原因因為在風力的作用下,大橋出現了扭曲變形,振動達到了大橋的固有頻率,從而形成共振,最終引起了橋樑坍塌,這個原理也被稱為“卡門渦振”。

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卡門渦振

虎門大橋的抖動事件也是由“卡門渦振”引起的,在當天虎門大橋迎來了6到7級的大風,風速達到28。8千米/小時,過大的風速導致大橋的主體出現了“渦振”,同時安裝在大橋兩側的水馬(用於分割路面的塑膠障礙物),導致氣流變化異常,兩者作用之下使大橋出現抖動。不過,由於本次振動的振幅還處於正常範圍之內,所以影響不大。並且,由於虎門大橋屬於柔性大橋,在面對風速過大的風時,出現這種狀況是正常的。

結語

從出現了美國懸索大橋的斷裂開始,幾乎所有人都認識到了共振的威力,從此之後的橋樑幾乎都必須經過風洞實驗才能建造,因此我們不必擔心出現斷裂事故,像虎門大橋的振動大都是正常範圍之內的。