啥？引发虎门大桥异常振动的卡门涡街，还能发电？

最近，“基础设施狂人”花店的温度变得更高了，甚至连桥似乎都“漂移”了。4月26日，武汉英武洲长江大桥像波浪一样起伏，吓坏了所有的路人。5月5日，广东省虎门大桥也发生了一波又一波的剧烈摇晃，立即引发了网民的热烈讨论。

虎门大桥是中国自行设计建造的第一座现代超大型悬索桥，被认为是20世纪中国桥梁建设的最高成就。它的建成和通车只需要20年。根据我国桥梁建设规划标准，设计缺陷的可能性基本可以排除。事实上，英武洲长江大桥和虎门大桥的摇摆都与风有关，而罪魁祸首就是风产生的卡门涡街。

虎门大桥大幅摆动，*电视台新闻图片

卡门涡街到底是什么？

如果你在小桥流水中漫步，你一定会发现当河水流速加快时，水在遇到桥墩后会分成两个弯路。奇怪的是，这两股气流并不是对称的，而是呈现出两组交替的小漩涡向下游移动，如下图所示:

卡门涡街图(照片来源:*)

与上述流体绕过物体时产生两排交错涡流的现象相似，它在流体力学中被称为卡门涡街，最初是由钱学森的导师冯·卡门发现并命名的。至于为什么两排旋涡是不对称的，这仍然是流体力学的一个难题。

日常生活中，当风吹过桥面时，大多形成卡门涡街，两组周期性和交替性的旋涡分别对桥面产生上下作用力，桥面随之振动。但是，由于桥面通常设计成流线型，两组旋涡紧贴桥面，作用力小，因此产生的振幅很小，平时很难检测到。然而，在最近的虎门大桥维修中，在桥面上放置了一排隔离挡板。这些一米多高的小家伙瞬间破坏了大桥的空气动力学形状。两组旋涡从桥面分离，作用力的大小和频率增加。一旦作用频率与桥梁本身的固有频率一致，形成共振，桥面产生显著波动就不足为奇了。

虎门大桥桥面上的隔离挡板改变了大桥的空气动力外形(图片来源:*电视台新闻)

卡门涡街的危害是什么？

卡门涡街经常对桥梁造成伤害，最典型的例子是美国塔科马大桥的倒塌。1940年11月，才建成4个月的塔科马大桥在9米的低风速下剧烈摇晃。然后桥倒塌了，掉进了海里。后来的研究表明，事故的罪魁祸首是卡门涡街引起的共振。塔科马大桥的倒塌震惊了当时的桥梁界。此后，桥梁模型的风洞试验被纳入桥梁试验，桥梁的风振问题也发展成为一门新的学科。

塔科马大桥倒塌的那一刻(照片来源:搜狐)

值得一提的是，卡门涡街似乎特别喜欢吊桥。鹰梧州长江大桥、虎门大桥和塔科马大桥都是悬索桥。悬索桥，通常被称为悬索桥，可以建得很高，因为不需要在桥的中心设置桥墩。它们经常被用在跨水桥的设计中，以便船只可以*通过。然而，悬索桥有一个先天的缺陷——固有频率低，稳定性差，对风荷载非常敏感，容易受到卡门涡街的影响。但是，由于塔科马大桥在建造现代悬索桥之前将考虑抗风振动设计，并且在建成后将安装桥梁变形实时监测系统，因此在通过悬索桥时无需惊慌。

吊桥是卡门涡街最喜欢的桥(照片来源:中国路桥)

除了桥梁，卡门涡街还可能给建筑物带来安全隐患，如高楼和烟囱。卡门涡街在*广播电视塔和东方明珠电视塔建造之前就被考虑了。

卡门涡街的妙用

凡事都有两面性。卡门涡街并非无所不知。它也可以被人们使用。既然卡门涡街能对物体施加周期性的力，为什么不用它来发电呢？哈尔滨工程大学的研究人员设计了这样一种发电装置。它们制成的迎风筒在风的吹动下会产生卡门涡街，周期性地作用在放大板上，使其来回摆动，从而带动发电机转子转动，切断磁感应线产生电流。

此外，在研究了流动水中的卡门涡街后，人们进一步发现障碍物两侧形成的旋涡交替的频率与阻塞流量成正比，于是发明了涡街流量计来测量管道中的流量。目前，涡街流量计已广泛应用于工业生产中。

涡街流量计原理示意图(照片来源:仪器工具)