为什么俄罗斯伏尔加河大桥会呈波浪形离奇晃动?

为什么俄罗斯伏尔加河大桥会呈波浪形离奇晃动?

早在2010年5月，国际上多家媒体报导了俄罗斯伏尔加格勒大桥出现的“波浪舞奇观”。传闻当时有不明飞行物UFO从天而降，或是某国秘密研发的地震武器成功，引发大众广泛猜测。然而，建筑专家的回答并非如此。伏尔加格勒大桥的“跳舞”现象，其源头可追溯至塔科马悬索桥，它作为共振危害的典型案例，在全球教育领域广为流传。塔科马悬索桥的“跳舞”现象与伏尔加格勒大桥的情况虽有相似之处，但两者实际原理并不相同。这座由俄罗斯修建的桥梁，总跨度达2.5公里，历经13年方才竣工。2010年5月20日，该桥突然出现剧烈振动，引起广泛关注。经过检测，发现桥梁结构和连接部件并未出现问题，于5月25日重新开放。2011年秋季，由德国公司与瑞士联邦实验研究所Empa进行了实验，并为该桥安装了12个半主动调谐质量阻尼器，成功解决了“跳舞”的问题。所谓的半主动调谐质量阻尼器，可理解为减震重量块和弹簧，用于稳定桥梁。那么，为何这些桥的振动现象并非共振？共振指的是在特定频率下振动系统或外力作用下，振动系统呈现振动放大的现象。通俗解释，当外力与物体的自然频率相匹配时，即使外力微弱，也能够引发显著振动。例如，推秋千时，以合适的间隔推动，即便力很小，秋千也能荡得很高。在某些特定条件下，风形成的涡流频率与桥的自然频率接近，可能导致振动放大，导致桥梁出现“跳舞”现象。然而，塔科马悬索桥倒塌时，风速约为60公里/小时，地形条件和桥梁结构条件都不足以产生与桥梁自身频率接近的涡流。塔科马悬索桥倒塌真正原因可能涉及空气动力学引起的自振，称为动力气动弹性颤振。这种颤振在某个点表现为系统振动阻尼减小甚至为零。尽管这种现象与共振相似，但其本质更复杂。桥梁“跳舞”的现象，通常与结构设计、风力、气流等因素有关。现代桥梁设计通常采取增加刚度和重量、减少跨度、采用多块桥板或在中间使用镂空结构等措施，以避免颤振现象。此外，颤振对飞机机翼及风力发电机叶片等设备也构成严重威胁。尽管关于桥梁振动原因和理论的探讨仍在进行中，涉及复杂性与定义问题。涡振（vortex-induced vibrations）等概念的界限和确切定义，以及颤振是否发生与气流速度、结构阻尼等因素的关系，仍存在争议。卡门涡街理论的提出者在塔科马悬索桥模型试验中，将其倒塌归因于涡振共振，而颤振的发生则取决于特定条件下的气流与结构的相互作用。