“趣说”桥梁涡振

　　2020年5月5日，广东虎门大桥发生明显涡激振动(简称涡振)。该事件迅即在各大媒体与学术圈引起广泛热议，既形成了一些共识，也存在一些分歧。分歧主要体现在一些基本概念和机理解释方面，尤其关于自激力和涡激强迫力在桥梁涡振全过程扮演的角色，似乎争议很大。

　　本课题组长期从事桥梁风工程研究，其中包括涡振研究。现根据个人理解对桥梁涡振全过程及其涉及的自激力和强迫力关系发表一点管窥之见。

　　限定条件

　　因为桥梁涡振影响因素众多，为便于解释，首先做一些限定条件：

　　均匀流场：均匀流确定的输入条件下涡振尚有争议，紊流更是复杂，暂且不管；

　　横风无偏角：为进一步降低不确定性，暂不考虑轴向涡，做适当简化处理，按二维流动；

　　扁平断面：圆柱、方柱、小宽厚比矩形断面的涡振特点及机理与扁平结构桥梁断面的涡振相差甚远。桁架等一些特殊断面，根据经验基本不会发生涡振，不予关注；

　　较高雷诺数：大于106。雷诺数太低（<103，如风吹秀发），与桥梁无关。雷诺数之于流场，犹如岁月之于性格。年幼时天真无邪，长相萌爱，惹人喜欢，众人也乐于逗玩，靓照(论文)无数；长大后桀骜不驯，性格善变，令人捉摸不透。既然是成年人的问题，就要用成年人的方式去解决。

　　桥梁涡振全过程

　　对于主梁宽度在25-50m、高度在2.5-5m范围内的大跨桥梁，在自然界从几米每秒到二十几米每秒的风速范围内都存在发生涡振的可能性。

　　下面分几步采用部分拟人化方式介绍桥梁涡振整个过程：

　　01

　　稳定阶段

　　风速较低时(锁定区左侧)，也会产生漩涡脱落(实桥的雷诺数决定了漩涡脱落基本伴随它的一生)，自然也会随之产生周期性的涡脱力，或者说是强迫力，但是其频率（可暂且认为随风速基本线性变化）与结构自振频率较远，自然无法激起涡振，该强迫力是激发桥梁振动的安全隐患，可以视为外患。

　　02

　　痛感阶段

　　随着风速增加，强迫力频率慢慢靠近某阶模态频率（敌军进犯），桥梁处于被攻击范围，开始有明显被攻击的痛感，想纹丝不动都难。不过，在目前较弱攻击强度下，桥梁振动微小，也就是哆嗦两下(痛感引起的条件反射),况且桥梁是也有阻尼的(自己的军队)，名义上虽有自激力，但由于振动微小，自激力完全可以忽略。

　　03

　　“前拍”谈判阶段

　　如果继续增加风速，频率更为接近(大兵压境)，桥梁可能就会被“打得啪啪直响”(即我们所说的“拍”，此时桥梁已经开始“摇头晃脑”)。桥梁一旦振动起来，自激力(内忧)就自然出场了(内忧外患加起来，城楼摇摇欲坠)；自激力和强迫力也一直没有停止角力，你来我往，互不相让(到底谁更牛气，专家也是莫衷一是)。

　　现在桥梁已经振动起来，虽然是“拍”，但也会严重影响周围的流场，涡脱的形式和频率自然不能独善其身，斯托罗哈数就不能严格保持为原来的常数，强迫力似乎也已经被部分同化，其作用和权势似乎被严重削弱。有些专家都说啦，振动就算自激力(昵称“小激”)，不动才算强迫力(昵称“小强”)。

　　花絮

　　“小激”跟“小强”谈判说，强哥，我们都是“风之子”，现在能不能给个面子，不要跟我抢“风头”，离开这块地(锁定区间)，你愿意干啥干啥，我保证不跟你抢(呵呵，问题是都没有你了，还抢个啥？)。“小强”也有些无奈，在人家地盘上不太被认可，想想“小激”不过是一个自己培植的“傀儡”，没有小强我给你晃摇篮，你哪能迅速成长，自己暂时隐忍一下也无妨。尽管“小激”开始建立政权称王，但城内还有抗联(阻尼)。在这期间，“小强”也并未完全心甘情愿，在背后也没少做些小动作，因此城池仍处于两路诸侯割据状态，没有完成最终统一。

　　04

　　振幅上升阶段

　　继续增加风速，漩涡脱落频率继续增加，“小强”被同化(是否完全，尚有分歧)，最终实现与振动频率完全一致，“拍”消失了，振动稳定了，不少人已经拥立“小激”为王(一种观点)，“小强”给人印象是从此灰飞烟灭，杳无音讯(“小激”不用再和“小强”扯嘴皮子了)。继续增加风速，桥梁振幅进一步增大，在某条件下“小激”达到顶峰(好嗨哟)！

　　05

　　振幅下降阶段

　　继续增加风速，振幅开始变小。奇怪，为何没有愈演愈烈？“小激”玩大了不得民心，受到多方挑战，“小强”可能从来就没有消失过，只是因为振动原因导致流场及强迫力变化较大，被挤压得有些“变形”，且“小激”当权，被改了“番号”。“小强”其实一直“与风俱进”，真可谓是忍辱负重，韬光养晦，卧薪尝胆。这块地牌(锁定区)已经容不下“小强”强大的身躯，与“小激”分歧愈发明显，因此两者无法亦步亦趋。“小强”进入反攻阶段，振幅变小，“小激”被削弱，“小强”开始上位。

　　06

　　“后拍”谈判阶段

　　风速足够高，退出涡振锁定区，又开启了胶着的“拍”(“小激”嗨了那么久，自然不太愿意退位啊，挣扎也是可以理解的)。但时过境迁，大势已去，“小激”即将谢幕。

　　07

　　和平年代修养阶段

　　再继续增加风速，“小激”政权完全被颠覆，涡振消失。“小强”大军碾平这块阵地，朝下一个目标—更高频率模态进发，在此过程桥梁基本可以休养生息了。

　　夸张版的桥梁扭转涡振起振和抑振过程示意

　　后记

　　历史长河战争频仍，风速只要不断增加，成长壮大的“小强”就可能扫荡一个个区域(引发若干高阶模态涡振)。但往往由于频率越高，风速要求也更高，而且需要补给线太长，太高阶涡振不一定能被“小强”激励起来。

　　在此，需要补充一点的是，最低频率模态涡振不一定被激励起来，一方面是风速太低，能量太小，而且紊流度太高(不太守纪律的愣头青士兵)，战斗力不强，幸运的窝边草就有可能没有被吃掉。

　　如果风速继续提高，“小强”则日益强大，说不定会有更大的“作为”。可能大家已经想到了，那就是点燃导火索，引发颤振，这可是超级核战争、颠覆政权、毁灭性的世界大战啊（以后有机会再聊）。

　　典型桥梁断面三自由度耦合颤振

　　因此，桥梁涡振就像国家之间贸易战、局部摩擦、小规模战争之类，虽不致命，但不舒服。我们一直在努力，但完全避免似乎很难（这个世界太复杂、太疯狂，2020年似乎更为不同凡响）。尽管如此，但我们还是要积极应对，尽量减轻影响，降低综合损失。

　　开心一笑

　　桥梁涡激强迫力与自激力的关系似乎可以从某些方面比喻为两物搭配关系(为避免由于遐想引起争议，只能写到这种程度，哈哈(*^_^*))，分别如下:　

　　如果两者比较般配(主要是频率合拍)，就具备了结合的重要条件；但频率合拍并不能保证会结合，因为还有好多外围条件，如挑拨离间的（紊流等），双方实力(风速、阻尼等)对比，要真正实现琴瑟和鸣，确实需要天时、地利、人和。

　　处朋友时，一个阶段的“拍拖”总是需要的，闪Hun也是可能的(外加激励)。

　　步入共同世界(即锁定区)，两情相悦、和睦共处。或许一方主内不再抛头露面，似乎隐形。你中有他、他中有你(即不分你他，也难分你他，清官难断家务事，专家或许不用操心到底谁更重要，也很难割裂地去量化两者分别有多大贡献，发挥多大作用。解耦(偶)方法只是一个视角，在此并非十分科学。当然，也有好奇者总想分清两者关系，说不定真的会有新的发现呦)。该阶段既有稳定上升期，也有矛盾下降期。

　　随着多种条件的改变和双方实力相差愈发悬殊，天长地久似乎不可能了，此时只能说拜拜，相互“拍打”纠缠也很正常嘛，闪Li也不是不可能（外加约束）。

　　临走去找新目标(其他阶模态)之前，也不忘说再见(下次有机会还会回来继续合作激振的呦)。

　　挥挥手不带走一片云彩，留下一桥凌乱。蓦然回首，但闻各抒己见，勇提方案，热闹非凡……

　　本文只是根据个人理解戏说桥梁涡振，语言力求生动有趣，希望帮助大家简单了解桥梁涡振特点，并为各位增添几分乐趣。奈何功力有限，难以实现对照极度相似，因此无需过于认真。涡振本身涉及问题很多，不可能面面俱到，甚至某些表达也可能引起误解，请多海涵。几个小时的写作较为粗糙，如果存在纰漏甚至错误，敬请批评指正。衷心感谢各位，希望大家开心。