专家解读虎门大桥为何“抖动”

本报记者　李司坤

5月5日14时许，虎门大桥桥面发生起伏晃动，振幅较为明显。经专家组判断，虎门大桥5日发生振动系桥梁涡振现象，并不影响桥梁结构安全。6日凌晨，有媒体记者在虎门大桥管理中心实时监控画面看到，大桥仍有肉眼可见的轻微振动。近段时间，我国多座知名悬索桥接连发生桥身“抖动”现象，引起国内舆论广泛关注。究竟是何原因？这些现象之间有无共性？后续应如何对桥梁进行安全检查？

虎门大桥抖动引发高度关注

虎门大桥抖动事件发生后，大桥管理部门联合交警部门及时采取双向交通管制措施，广东省交通运输厅、广东省交通集团连夜组织了国内12位知名桥梁专家召开专题视频会议进行研判。

广东省交通集团6日凌晨通报，专家组初步判断，虎门大桥悬索桥本次振动的主要原因为沿桥跨边护栏连续设置水马，改变了钢箱梁的气动外形，在特定风环境条件下，产生了桥梁涡振现象。

虎门大桥大修办公室副总工程师张鑫敏在接受采访时表示，当时沿着护栏立柱摆了一层水马，相当于把护栏立柱的透风孔给堵住了，水马对桥梁的抗风外形产生了变化，所以产生涡振。

一位不愿意透露姓名的业内专家6日在接受《环球时报》记者采访时对“涡振”现象做了更浅显易懂的解释。他说，虎门大桥的主梁为扁平钢箱梁，是两边尖、中间横高的样式，从外形上看，它的上下两边呈直线，两侧是三角形，本身有流线型设计。这位专家表示，大桥建完后，桥面一般只有栏杆和吊索，“这是不阻风的，阻风断面很小，所以风吹过来是流线型，大桥能够自动把风通过去。”

该专家称，这段时间虎门大桥在更换吊索，为防止桥上通行车辆对施工界面造成影响，于是施工方在紧急停车带放置了很多水马。“这些水马高度为1.2米，一个挨一个，而且是不透风的，这就改变了大桥主梁原本流线型的形状。”这位专家表示，这时风再吹过来，被水马阻挡后，根据空气动力学原理，会形成漩涡，产生涡激力。涡激力对桥面进行作用，下面的往上升，上面的往下压，使桥梁产生振动。“这种由涡激力产生的振动频率如果跟桥梁自振频率产生共振，就会引起桥的振幅加大。”

该专家告诉《环球时报》记者，这种由涡激力引起的桥梁共振，简称“涡振”，一般是在低风速状态下发生。目前看来，虎门大桥的主体结构没有受到太大影响。

桥梁抗风有多难

撤走水马之后，虎门大桥在6日出现的后续晃动又是怎么回事呢？虎门大桥大修办公室副总工程师张鑫敏接受媒体采访时表示：“目前的抖动可能是惯性原因，它会慢慢消除。”此外，广东虎门大桥公司工作人员也在回应媒体采访时表示，“目前，已拆除桥面上的水马，因为恢复期比较长，所以还有抖动。”

著名桥梁结构专家、国际桥梁与工程协会主席葛耀君6日在接受媒体采访时认为，二次涡振的成因与第一次涡振没有直接联系，目前已经安排仪器观测数据，专家组正在对二次涡振的成因进行调查。

著名桥梁专家吴明远6日晚在虎门大桥涡振记者答疑会上称，6日中午过后，虎门大桥抖动已经基本平息。根据目前检测的结果，此次涡振并未影响虎门大桥的整体结构。据张鑫敏介绍，目前正在对大桥进行全面的检测，至于何时通车，目前尚不能确定。

哈尔滨工业大学（深圳）土木与环境工程学院教授肖仪清6日接受媒体采访时称，悬索桥属于柔性桥，大跨径悬索桥出现小幅振动属于正常现象，这次产生涡振的虎门大桥主跨径达888米。悬索桥有时在较低风速下产生振动，幅度较小眼睛不能分辨，在特殊条件下会产生较大振幅。如果水马拆除后还有显著振动，则需要做专门检测和研究。

事实上，此次虎门大桥的异常晃动现象并非近期首次。4月26日下午，武汉鹦鹉洲长江大桥桥体就出现过可感知的上下晃动现象。近来接连出现类似大桥晃动情况，之间是否存在共性？对于鹦鹉洲长江大桥出现的晃动，上述匿名专家认为，从表象来看，鹦鹉洲大桥的晃动也是一种由风引起的振动。这位专家告诉《环球时报》记者，在各种类型的桥梁中，在对抗风方面最为敏感的就是悬索桥。“悬索桥本身对风是易感的，所以这几十年来，在抗风课题上主要都是对这种大跨度的悬索桥进行研究。”他说，悬索桥的跨度一旦超过1000米，由风所引起的振动除了涡振以外，还有“颤振”和“抖振”。这些情况在桥梁风现象中都是存在的，该专家表示不必过于担心，只要能控制得住，对桥梁结构、安全不产生影响就可以了。该专家表示，“自从美国塔科马桥塌了之后，兴起了桥梁风工程学科。”该专家介绍说，“我国从上世纪90年代开始修建虎门大桥时，已充分吸收国外桥梁抗风理论和抗风方面的经验教训，所以在后续的我国悬索桥的设计中，都做过专门的抗风的理论和实验研究。”

后续如何强化桥梁安全监测

近期发生在虎门大桥以及鹦鹉洲大桥上的桥体晃动，是否会对悬索桥的桥体结构造成损伤？上述不具名专家告诉《环球时报》记者，这种柔性的悬索桥本身引起的变形，在桥梁设计允许挠度限值以内都是可以接受的，对桥梁结构本身也不会有太大损害。但他同时强调，桥梁不是“金刚不坏”之身，建造完成后不是什么工况都能够扛得住。“在面临超出设计极限荷载的情况下，也不敢说百分百没问题。”

该专家表示，虎门大桥此前没出现过类似涡振现象。他对此次情况的发生进行复盘后告诉《环球时报》记者，此次发生的情况主要由于两点原因：第一，虎门大桥此次换吊索是建成后首次更换，且虎门大桥主桥也从没有像当天那样，把水马排得那么齐。“桥梁维修是一个特种施工工程，必须要申请当地交管部门同意，不能随便临时设置围挡装置，可能施工队伍没有充分考虑这种情况。”第二，风速颇为凑巧，刚好在产生涡振范围内。“风速更大、或再小一点都吹不起来。”

该专家表示，今后类似悬索桥进行维护时，要将此次虎门大桥发生的情况考虑在内，“尤其在沿海地区”。但该专家也对《环球时报》记者表示，不必过于担心。“国内的桥梁每年有定检，就像人一样每年都有体检。此外，桥上还装有健康监测系统，专门用于自动采集桥体结构变形和应力数据。”对于特大桥的养护，从定点和日常的在线监测这一块来说，手段是比较齐全的。该专家表示，此次产生的涡激共振，系统都有信号采集，这些数据很宝贵，对今后分析类似工况会有帮助。

肖仪清表示，以后如果要做全桥维护，整个桥面都要用水马阻挡，还会改变断面气动特性，应该尽量先评估一下，这种评估现在也比较好做，就是采用CFD计算流体动力学软件平台进行一些模拟分析，就可以得出一些基本参考结果。此外，结构健康监测系统的推广应用，也可以收集掌握桥梁全寿命的运行信息，可以更好地用于桥梁结构安全预警和事件之后的安全评估与原因排查。▲