闲聊共振——桥梁与建筑中的振动问题

本帖最后由 一介书生第二 于 2013-12-17 15:37 编辑

何谓“共振”？共振是指机械系统所受激励的频率与该系统的某阶固有频率相接近时，系统振幅显著增大的现象。共振时，激励输入机械系统的能量最大，系统出现明显的振型。在共振频率下，很小的周期振动便可产生很大的振动，因为系统储存了动能。当阻尼很小时，共振频率大约与系统自然频率（或称固有频率）相等，后者是自由振荡时的频率。在自然中有许多地方存在共振现象，人类也在其技术中利用或者试图避免共振现象。

共振的危害是有目共睹的。1940年，美国全长860米的塔柯姆大桥因大风引起的共振（主要是弛振，是指在平均风的作用下，振动的桥梁从流动的风中吸收能量而产生的一种自激振动，具有自激和发散的性质，这种振动有造成桥梁的空气动力失稳而风毁的危险。）而塌毁，尽管当时的风速还不到设计风速限值的1/3，可是因为这座大桥的实际的抗共振强度没有过关，所以导致事故的发生。见下图：

近几十年来，美国及欧洲等国家和地区还发生了许多起高楼因大风造成的共振而剧烈摇摆的事件。

当然，共振也有可利用的一面。如弦乐器中的共鸣箱、无线电中的谐振等，就是使系统固有频率与驱动力的频率相同，发生共振。电台通过天线发射出短波/长波信号，收音机通过将天线频率调至和电台电波信号相同频率来引起共振，将电台信号放大以接受电台的信号。

在建筑工地上也可看到，在浇筑混凝土时总是一边灌混凝土，一边用振捣器进行振捣，使混凝土之间由于振动作用而变得更紧密、更结实。此外，粉碎机、测振仪、电振泵、测速仪等，也都是利用共振现象进行工作的。

在土木工程设计中，对共振问题的研究已越来越受到重视。在桥梁结构设计中，对共振问题的考虑是非常慎重的，尤其是目前的桥梁规模越来越大，对振动问题的研究也更加重视。这其中既有许多血的教训，也为桥梁设计人员提供了不少现实模型。在建筑结构设计中，也要求结构的自振频率与建筑场地振动频率不同，以避免地震时振动频率相同使地震效应放大，也就是避免共振的产生。在高层、高耸结构的抗风计算问题中也是如此。

当然，考不考虑共振问题与实际中是否会产生共振是两回事。虽然限于当时的科技发展水平，隋朝的工匠李春可能不知“共振”为何物，而由他主持建造的安济赵州桥到今天为止还完好无损。但这不能成为一种理由，在现有的科技水平下，如果在结构设计中未能主动地去考虑结构的振动问题，那就是一个不称职的结构设计者，至少体现了设计者在能力与水平上的某种欠缺。附赵州桥图片如下：

对大跨度结构、高耸结构、超高层结构，等等，其振动问题是一个必须慎重考虑的问题。试想，假如没有对振动问题进行科学的研究与计算分析，日本的单跨达1991米的明石跨海大桥能正常通车运行吗？全长36千米的浙江杭州湾跨海大桥又怎么横卧于强潮强风的海面上呢？位于阿联酋的总高达828米的迪拜塔能巍然屹立么？这些工程的建成并正常投用，都是与对结构振动问题的研究与振动理论的发展所密不可分的。当然，其中也体现了结构研究与应用人员的智慧。

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