悬索桥为什么起伏晃动？

                                     晏成和

前几日，大风之后，广东虎门悬索大桥发生异常起伏抖动，随后，大桥管理部门封闭了大桥，引发热议。虎门大桥是广东省境内一座跨海大桥，位于珠江口狮子洋之上。该桥梁主桥全长4.6千米，主跨888米。

          虎门大桥 （悬索桥）   图片来自百度     

桥梁的功能连接两地交通，桥上面要承载车辆及其人员货物等。这些承载物的重量及其动量就是桥梁的主要荷载，一般主要荷载的重力总是向下的，这也是桥梁结构设计的主要原始数据，而不大会考虑发生向上的力。

悬索桥跨度大，造型优美。荷载作用在桥面钢梁，由许多竖直的吊索传递到弯曲的主悬索，悬索由桥塔顶着，整个荷载经钢梁-吊索-悬索-桥塔、然后传递到地面。因为主要荷载由悬索承担、传递，钢梁只是承担局部荷载，所以钢梁设计强度不大，因为主悬索是柔性，所以各钢梁分段柔性连接。桥梁设计有较大的安全系数，十几辆大卡车、几百吨分布重量都没有问题。

悬索桥的主要构件悬索、吊索，能够承受很大的拉力，但是对相反的力的承受能力却很差。一般情况下重力向下，不会发生向上的力。

这一次是老天刮起大风，使得桥面发生严重的晃动，风刮不动小小民房，怎么能够刮得这承载几百吨的钢铁桥梁上下起伏？要回答这个问题，我们先去看看飞机。

一架大飞机，两翼加起来不到百米，却在高速气流的升力中，向上托起一百吨甚至是几百吨的飞机和货物。

虎门桥桥面略微凸起的悬索桥桥面，其面积比大飞机机翼大很多，高速的大风（气流）以某个角度刮过桥面，会产生上百吨向上的托升力，导致柔性钢梁局部上升，产生上下晃动。并且大桥的主悬索也是柔性的，某部分钢梁上升使与之连接的主悬索失去载荷上移，导致主悬索在主塔跨度之间纵向晃动，两条主悬索及钢梁在运动中调整为一前一后纵向晃动，吊着的钢梁（大桥路面）则在其间左右扭动、起伏。因为主悬索桥质量很大（m近千吨  F=ma），运动力很大、惯量也很大，又没有相应的阻尼，所以桥梁能够晃动很长的时间。

以上分析：大风是这种悬索桥的天敌，设计悬索桥应该避开天然风口；或者在悬索桥两边设计导流板，改变气流，不至造成太大的升力；也可以考虑增加阻尼装置，让晃动不易形成、或早点停止。

                                    2020、5、9、