塔科马桥垮塌原因解析：涡激振动引发的世界钢桥失效

由于对塔科马桥的气动失稳机理研究不透彻，其垮塌原因的相关论述出现错误，其中传播最广泛的就是：加劲梁的扭转振动是涡激振动，即桥梁结构自振与卡门涡街激振发生共振。然而事实并非如此。

空气的黏性很小，在一般流动中可以忽略。但是在靠近物体表面处，黏性是不可忽略的。由于黏性效应，流体在靠近物体表面形成边界层。在边界层内，气流速度从物体表面处等于零增大到对应外层气流的速度值。空气的另一重要效应是由其质量引起的惯性效应。黏性与惯性作用的相互关系决定了空气流动的特性。一般采用雷诺数Re表征惯性力与黏性力之比。当Re较小时，黏性效应较强；当Re较大时，惯性效应起主要作用。当黏性一定时，流速增加会增大Re，当Re达到某些临界值时，流体流过物体表面后，会在其后形成交替脱落的旋涡，这种现象被称为卡门涡街，如图5.6所示。因此当塔科马海峡的风以一定的速度吹过塔科马大桥的类H型加劲型梁时，旋涡周期性交替脱落，会对桥面施加一个垂直于空气流动方向的交替作用力。

图5.6　卡门涡街(www.xing528.com)

涡脱（旋涡脱落）现象一般用斯特劳哈尔数Sr来描述：

式中：f是旋涡脱落频率；D 是物体垂直于来流方向平面上的特征尺寸，如圆柱体直径；v是流速。

对于塔科马桥而言，D和Sr分别为2.4 m和0.11，v取当时的风速19 m/s，因此旋涡脱落频率f约为0.87 Hz，塔科马桥最终破坏时的实际振动频率为0.2 Hz，与旋涡脱落频率0.87 Hz完全不符[3]，因此涡激共振并非塔科马桥坍塌的原因。另外，即使是这种涡流脱落造成的振动也不能构成简单的共振。与涡流脱落有关的风-结构相互作用现象非常复杂，包括外部风力和结构自身的自激力。在结构抵抗风力的过程中，风力同时也激励结构处于或靠近结构自振频率。但是随着结构振幅的增加，流体的边界条件也会发生变化，结构和风相互作用限制了振幅的发展，因此Billah和Sanlan[5]指出卡门涡街可能引起限幅扭转振动，但不至于导致大振幅扭转发散振动。