對更長、更耐久、更穩定、更經濟的懸索橋的需要，迫使我們在橋梁設計中要更加重視空氣動力穩定性方面的研究。最新的建筑規范、風洞和高級傳感器技術都是這方面研究的必要工具。一個世紀之前，重力是當時橋梁工程師主要考慮的自然力。但隨著城市的擴張，對更長、更耐用、成本更低橋梁的需求，使得結構力學和材料科學同樣成為橋梁工程的重點，以便橋梁在重力作用下承受公路或鐵路的荷載。對于不斷突破更大跨度的懸索橋而言，對風的力學研究正在變得不容忽視。

談到橋梁設計的演進，隨著我們對結構工程理解的加強、工藝材料的發展，更高效、更合理橋型的相繼出現。我們能夠建成跨徑更長的橋梁——懸索橋就是一個有利的佐證。一般的懸索橋由相對較少的構件組成: 由垂直吊索吊裝的橋面板，吊索由主纜承載，用于承載公路和鐵路交通。懸索橋一般有兩個橋塔，用以支撐主纜到足夠的高度，使主纜具有必要的承載力。懸索橋的簡易性造就了它的經濟高效，并賦予了這座橋修長、優雅的外觀，就像公路漂浮在水面上一樣。然而，所有的創新也都有代價。對于懸索橋來說，由纜索產生的高柔性結構使其易受到風的侵害。

規劃橋梁的抗風性能需要進行嚴謹的空氣動力學研究。在大型風洞中用微縮模型進行空氣動力試驗，模型需要再現原型橋的幾何形狀、剛度和質量等特性。風洞試驗通常輔以計算機仿真技術以確定最佳的橋面幾何形狀。

強風導致的橋體扭曲運動可以使一座大橋在不到一小時的時間內完全垮塌。1940年，塔科馬海峽大橋(Tacoma Narrows bridge)垮塌后，在橋梁工程中開始更多的采用風洞測試以全面檢測風的影響。進一步看塔科馬海峽吊橋坍塌事故，從事故中我們看到了風的潛在毀滅性，也得到了許多有價值的啟發，增加了對新的、更先進的風洞測試技術的需要。風洞測量技術近年來發展迅速。在早期，我們只能在紙上記錄一些位移模型的測量結果，并觀察橋梁在風中如何位移。然而，傳統的測量技術并不能提供我們真正想知道的數據——如空氣動力荷載的分布，風與橋面結構的相互作用。

現在用電晶體和計算機技術已經能做出微壓傳感器，我們可以用它來實時測量瞬時壓力，從而能繪制一張風在模型橋橋面上波動的詳圖。根據這些信息，我們可以改進設計，減少空氣動力帶來的不穩定。這是一個巨大的飛躍，也是過去20年發展起來的一項新技術，為建造更長、更穩定的懸索橋鋪平了道路。

最近，我們在成都RCWE（西南交通大學風工程試驗研究中心）的一個22米寬的風洞中對一座籌建中的破紀錄懸索橋模型進行了風力測試。橋梁主跨2,023米，建成后將成為世界上最長的懸索橋。試驗最重要的結果就是：由于橋面采用雙主梁設計，該橋將有能力承受超過90米/秒的風力。您可能會問，90米/秒的空氣動力穩定性實驗是否足夠高? 答案是：夠！自有記錄以來的最高風速是1996年熱帶風暴“奧利維亞”在澳大利亞巴羅島以每秒113米、持續3秒。3秒的陣風非常短，不足以使一座大型懸索橋產生10到20秒的振動。如果把這個速度保守地降低25% 至87米/秒，還能在實驗中通過考驗，那么我認為，這座世界上最長的懸索橋（1915 Canakkale Bridge）已經能夠經受住世界上任何風暴的襲擊，我想這是一個合理的說法。（該橋為土耳其恰納卡萊1915大橋，又名達達尼爾海峽大橋，設計主跨2023米，2023年通車。屆時大橋將與馬爾馬拉高速公路南段、北段、Osmangazi大橋、伊斯坦布爾茲米特高速公路連接形成環線。）

作為這座大橋的抗風工程師，我感到自豪的是，我們能夠抵御90米/秒的全風速，實驗過程中沒有發生空氣動力不穩定的現象——這確實是懸索橋工程領域的勝利。由于經濟原因，懸索橋的橋塔通常采用鋼筋混凝土建造，但這一超大跨徑懸索橋橋將采用318米鋼橋塔，用來確保足夠的抗震能力。鋼鐵制品在抗震方面效果良好，但從空氣動力學的角度來看，橋塔重量將變得很輕，如果不采取任何改進措施，橋塔的下部結構會在強風中左右搖擺，這將是所有橋梁工程師的噩夢。

為了解決橋塔撓度和重量輕的問題，工程師們將目光投向了建筑領域-509米高的臺北101大樓。這座臺灣高層建筑建在一個多風且地震極活躍地區，因此大樓裝備了一個660噸的鋼鐘擺，作為一個調諧質量阻尼器以減輕因風引發的結構運動。臺風或地震引發的任何建筑物的位移都將使懸掛的平衡塊產生振蕩，從而吸收能量，使大樓得以穩定，不至于產生大幅振動。而我們這座新橋的設計方案也采用了同樣的方法。通過在每個塔腿內增加一個25噸的懸置平衡對重裝置,使輕質的鋼塔能夠抵御強風帶來的結構振動。

結合當今的計算機技術，我們可以精確的計算出橋梁構件的空氣動力學性能。基于這些計算，我們將通過風洞測試確定一個或兩個設計方案。同時橋梁的設計速度得到提高，只需短短幾天，你就可以設計出幾個模型。一周以內，就可以了解它的空氣動力性能。在風洞中，對每個設計方案進行全流程的研究也僅僅需要4-5周時間。總而言之，我們非常好的利用計算機技術縮短空氣動力學研究的周期。這種趨勢在未來也將一直持續的發展下去。

全球變暖將導致世界海洋平均溫度的持續升高。這將為中國南海的臺風和加勒比地區的颶風的注入更多能量。全球變暖這一趨勢將增加東北太平洋地區臺風的平均風速，從現在的55m/s到接近63m/s，2100年時最大風速將高達68m/s。這相當于在未來的85年里，平均風速將增長14%。（來源：斯克利普斯海洋研究所，加利福尼亞大學圣迭戈分校）很顯然，在測試橋梁設計穩定性的時候，特別是設計壽命在100年以上的橋梁時，這一趨勢不可忽略。

盡管風洞測試過程不受全球氣候變暖的影響，但是你必須充分評估橋梁模型今后可能承受的最大風速。換句話說，風環境的變化需要在國家建筑標準中有所體現。因此，受未來氣候變化的影響，風洞測試結果將非常有可能展示出幾何設計的高度復雜性，我們也可以期待為保證橋梁的空氣動力穩定性而研發的多種建筑材料。

作者 / Allan Larsen，COWI公司首席專家

資料來源 / 丹麥COWI公司官網