为什么大桥会出现异常抖动

　　随着现代悬索桥的出现，人类已经能够建造越来越多的长桥。吊桥跨度可以很大，可以跨越峡谷、大河和海峡，例如中国的矮寨超级吊桥，它跨越300多米深的峡谷；杨四岗长江大桥主跨长可达1.7公里，在世界悬索桥中排名第二，在世界双层悬索桥中排名第一。
　　由于悬索桥跨度大，这将带来一些空气动力学问题。当强风吹过吊桥时，桥面可能会在波浪中摇晃，这将使在桥上行走的人感到非常不舒服。如果情况严重，桥梁可能会摇晃并倒塌。
　　那么，为什么悬索桥会有异常的晃动呢？
　　根据物理学原理，任何物理结构都有自然频率。如果强迫振动的频率接近物理结构的自然频率，就会发生共振。如果振幅足够高，结构将因此被破坏。
　　在19世纪，当一群法国士兵以相当均匀的速度走过一座100米长的桥时，桥的自然频率与快速行进产生的频率重合，导致桥不断摇晃，然后产生共振。当士兵们走到桥中央时，剧烈的共振现象导致了桥的倒塌，数百人坠入水中死亡。
　　除了整齐的步伐之外，强风吹过桥梁也会引起桥梁摇晃，并可能引起剧烈的共振，这就涉及到卡门涡街效应。
　　当强风吹过桥面时，在桥面的上下两侧会产生两个旋涡，它们的旋转方向相反且交错。这将在桥面上产生周期性的力，导致桥面摇晃。这就是卡门涡街效应，它是由现代航空航天技术之父冯·卡门首先阐明的。
　　如果卡门涡街效应非常强，桥面的振幅将增加，最终达到桥梁的固有频率。结果，共振将发生，桥梁将剧烈振动，导致桥梁倒塌，这在现实中已经发生了。
　　1940年，横跨塔科马海峡的塔科马海峡吊桥建成并通车。然而，仅仅几周后，桥面开始异常摇晃。经过几个月的摇摆，塔科马海峡大桥的桥面最终扭曲断裂，大桥坍塌了。
　　根据塔科马海峡大桥模型的风洞试验，大桥的倒塌是由卡门涡街效应引起的剧烈共振现象引起的。塔科马海峡大桥的桥面不够厚，无法承受强风造成的卡门涡街效应。这座桥最终被时速65公里的强风吹倒了。
　　从那时起，人们已经意识到，在建造桥梁之前，必须对模型进行严格的风洞试验。此外，应在桥梁上设计一些气孔，以破坏卡门涡街效应。十年后，经过严格模拟测试的新塔科马海峡大桥再次建成，并仍在正常运行。
　　现代桥梁设计将考虑卡门涡街效应。未来基本上不可能看到塔科马海峡吊桥的倒塌。
　　然而，在设计允许的范围内，桥面有时会经历一些起伏，这是正常的涡激振动。原因可能是由于桥面横截面的变化，例如，水障碍的位置。只要振幅小，不超过设计范围，桥梁就不会有问题。