本文授权转载自公众号CABR建筑抗风研究所
作者：陈凯 唐意
这两天结构圈最热门的话题莫过于“虎门大桥涡振”了。很多新闻报道都提到，相关部门组织专家进行研判，初步判断虎门大桥振动的主要原因是：沿桥跨边护栏连续设置水马，改变了钢箱梁的气动外形，在特定风环境条件下，产生了桥梁涡振现象。
今天我们就来聊聊涡振的事情。
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卡门涡街
涡振是一个很专业的名词，在这原由网次事件之前并不为人熟知。那什么是涡振呢？这要从“卡门涡街”说起。卡门涡街是以空气动力学泰斗冯卡门的名字来命名的。冯卡门这个名字大家未必熟悉，但如果告诉你他是钱学森先生的导师，相信你一定会对这位学术大家肃然起敬的。
卡门涡街是指在一定的速度范围，流体绕经钝体时，在其两侧交替形成漩涡脱落，并在其后方排列为对称的涡旋结构，如下图：
Vortex-street-animation
而当流体绕经“流线型”物体时，则往往会一直“贴着”物体表面流动，不会发生流动分离形成卡门涡街，如下图：
现代桥梁为了尽量抑制“卡门涡街”的产生，往原由网往通过风洞试验进行气动优化选型，采用流线型的桥梁断面。虎门大桥的桥梁断面也是流线型的，此次发生涡振，专家组的初步判断就是放置水马之后，使流线型的钢箱梁“钝化”，出现了比较显著的漩涡脱落，进而造成涡振。
卡门涡街无处不在，尺度范围跨度极广，可以从毫米跨越到公里。
下图是在水槽实验室中，采用电解沉淀法获得的圆柱绕流的卡门涡街照片，其尺度仅数厘米。
下图是风绕经智利塞尔科克岛后形成的卡门涡街，其尺度达到数百公里。
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涡脱落频率和涡激振动
卡门涡街的漩涡脱落是周期性的，其脱落频率f可以用斯特劳哈尔数（Strouhal number）来计算：
其中U和b分别是来流速度和钝体迎风宽原由网度。斯特劳哈尔数是无量纲参数，它和钝体的外形有关。比如欧洲规范EN1991-1-4《结构作用-风力作用》就给出了常见截面的St数，其中圆形和矩形截面的取值如下：
确定了截面外形，知道了St数OCDbfM，那各种风速对应的涡脱落频率就不难得到了。当涡脱落频率刚好和结构的自振频率接近甚至相等时，结构就会发生共振，也就是所谓的“涡激振动”（涡振）。
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高层建筑和高耸结构的涡振
不止桥梁会出现“涡振”，高层建筑和高耸结构中的涡振现象也很普遍。
设计人员常接触到的所谓“横风向振动”，往往就是“涡激振动”。如前所述，卡门涡街是周期性的涡脱落，所以能量比较集中，从下面频谱的对比中也可看出漩涡脱落的卓尔不群（黑线和红线分别是顺风向湍流和横风向漩涡脱落脉动风荷载能量在频域上的分布）。
涡脱落造成的脉动风荷载不仅个性突出，而且极其善变，会随建筑物外形等因素变化。以矩形截面为例，当迎风宽度和侧面宽度变化时，能量谱峰出现了显著变化。
由于横风向脉动风荷载能量集中在涡脱落频率附近，所以当高层和高耸结构的自振频率与涡脱落频率接近时，会发生比较强烈的共振，此时横风向风荷载经常会起控制作用。
下图就是某超高层的风振计算结果，可以看到在漩涡脱落的激励下，横风向（X向）的振原由网幅远远大于顺风向（Y向），而建筑两侧面蓝色深浅的周期性变化，则揭示了在建筑两侧发生的周期性漩涡脱落。
利用横风向脉动风荷载对外形的敏感性，可以选择适当的外形减小横风向涡振。下图展现了截面形式从扁平状向流线型变化时，侧面漩涡脱落的越来越弱化的演变过程。
此外，在超高层建筑和高耸结构的设计实践中，还经常采取各种气动优化措施来破坏周期性的规则涡脱落，或降低涡脱落强度：比如对超高层建筑截面削角、切角，烟囱上缠上螺旋线等等。
缠上螺旋线的烟囱
边缘切角处理的台北101大厦
有时，建筑师对于建筑造型比较坚持，我们也可以采用TMD或TLD等风振控制措施来抑制高层建筑的横风向涡振。
