5月5日下午，廣東珠江口的虎門大橋在沒有地震和颱風的情況下，橋面版發生明顯的上下起伏波浪式晃動，專家現場看了後研判說:「由於大橋養護施工單位沿橋面側邊設置水馬(內部充水，用以防撞的護欄)，使得鋼箱梁的氣動外形也隨之改變，在特定風環境條件下，產生了橋樑渦振現象。」
那什麼是「橋梁渦振現象」？精確的說法應該是：「橋梁被氣流所產生的漩渦所激發之共振現象」，專家的通病就是，愈說愈讓人糊塗。我們在這裡試著以大家容易理解的方式來解釋，為什麼加了小小的水馬後會讓虎門大橋大跳曼波？
美國塔科馬海峽吊橋的前車之鑑
專家可以這麼快就對虎門大橋的激烈晃動下結論？ 那是因為有1940年美國華盛頓州的塔科馬海峽吊橋（Tacoma Narrows Bridge）崩塌的前車之鑑可供參酌。塔科馬吊橋也是跟虎門大橋一樣的懸索橋，1940年7月剛建成通車時，就發現只要在每秒2公尺的輕風下，橋面版就會有上下波浪式起伏振動，橋管單位一方面裝設錄影機全程監測，一方面尋找原因及解決方法。但最終在四個月後，於1940年11月7日下午，在風速每秒約19公尺，相當於8級風下，因波浪式起伏加劇而崩塌。大家有興趣的話，上網很容易找到當初崩塌時的記錄影片。事後追查原因就是:「橋梁被氣流所產生的漩渦所激發之共振現象」。
先說明氣流為什麼會產生漩渦？ 試想我們如果赤足(面對上游)站在流動的溪流中，溪水會從我們腳跟兩側流過，然後會在我們腳跟後不斷製造漩渦。美籍匈牙利裔流體力學家西奧多．馮．卡門（Theodore von Kármán）首先用理論闡述這現象。
馮．卡門說，當流體流經直立的圓柱體時，流體被圓柱體所擋，在圓柱體正面形成高壓區，圓柱體背面則成為低壓區，由於流體都是由高壓區往低壓區流動，所以當流體從圓柱體兩側往後流動時，兩側會形成漩渦旋轉向圓柱體背面，圓柱體兩側只要有一點點小小的差異，成對的漩渦就會交錯出現，一側漩渦是順時針轉，另一側漩渦就是逆時針轉，每對漩渦最後中心點對齊，合而為一再繼續往下流，如此周期性的出現成對交錯的漩渦。連續的漩渦就像渦在一條街上，也像街道兩側的街燈從高處往街道投射燈光一樣。因此被稱為「卡門渦街（von Kármán vortex street）」。不只流體通過圓柱體，流體通過任何阻流障礙物時都會產生「卡門渦街」現象。
塔科馬海峽吊橋的設計工程師是萊昂·莫伊塞夫(Leon Moisseiff)，莫伊塞夫同時也是舊金山金門大橋的設計人，參與過幾乎所有美國大型懸索橋的設計，那為何只有塔科馬吊橋會因為卡門渦街效應而崩塌？ 關鍵是莫伊塞夫為了使大橋更加的纖細優雅，採用2.4公尺高的鋼版梁代替原計劃中7.6公尺高的桁架梁，而鋼版樑缺少了桁架梁的透風性，恰為卡門渦街效應提供了形成條件，這空氣動力學的問題在當時還沒有任何結構工程師了解。(重建後的塔科馬吊橋恢復採用桁架梁)
現在我們已經了解，當海風的氣流穿越過塔科馬吊橋時，橋面版兩側的鋼版梁變成阻流障礙物，氣流在越過鋼版梁後，在橋面版上方形成往下旋轉的漩渦，在橋面版下方則形成往上旋轉的漩渦，交錯成對連續產生的漩渦，使得橋面版不斷同時承受了向下和向上的推力。
平常這上下推力只會影響橋上行車的舒適性，不致影響橋梁的結構安全，但當漩渦產生的周期，恰好與吊橋本身的固有振動周期接近或相同時，就會引發吊橋與其產生共振，這就是所謂「橋梁渦振現象」，結果就是，連續作用於橋面版的向下和向上的推力，使得橋面版發生明顯的上下起伏波浪式晃動，如果上下起伏幅度過大，超過橋梁的容忍程度，就會導致大橋結構的破壞，這就是塔科馬吊橋崩塌的原因。
專家為何研判虎門大橋跳曼波也是渦振所引起？
虎門大橋在設計時，雖然橋面版兩側使用了鋼箱梁，但設計成流線型來防範渦振現像，同時將大橋以縮小模型，在實驗室內經過風洞試驗驗證後才設計施工的，照理說不會產生渦振。
問題出在大橋養護單位沿橋邊設置的防撞水馬，使得鋼箱梁的氣動外形也隨之改變。大家看一下圖片上的紅色水馬，延著橋面版側邊成垂直狀連續設置，中間幾乎沒有空間分隔，十分阻礙風的氣流穿越，這就為橋梁渦振創造了有利條件。再加上橋梁渦振一般都發生在小於25公尺／秒的較低風速時，此次虎門大橋發生晃動時的風速為約為9公尺／秒，這與引發橋梁渦振的氣候條件也吻合。因此專家初步研判虎門大橋跳曼波是渦振所引起，至於切確的原因，仍應等待未來正式的調查鑑定報告出爐才能確定。
「共振」為何會使結構體崩塌？
橋梁和房屋等結構物為何這麼怕「共振」？ 在這裡先用盪鞦韆來解釋什麼是「共振」，相信大家在國中物理課都學過單擺原理，盪鞦韆就像一個單擺在擺動，假如一個小朋友坐在盪鞦韆上，小朋友不出力，而是由你推他一把讓他盪鞦韆，那小朋友來回盪一次所需要的時間稱為振動周期。
單擺原理告訴我們，假設小朋友來回盪一次所需要的時間是3秒，你推他一把後如果沒再繼續推他，因為空氣的阻力，他來回擺盪的幅度會越來越小，直到最後停止，但不管幅度大小，每次擺盪一回的周期都是3秒不會變，這一周期就稱為鞦韆的「固有周期」。現在另外假設他每次盪回來的時候，你都推他一把，也就是你每3秒推他一次，這時你對小朋友「施外力的周期」跟鞦韆的「固有周期」是一樣的，這時你會發現小朋友越盪越高，這就是「共振」效應引起的。
自然界任何物體都有一個固有周期(或頻率)，當物體受外力振動時都會以固有周期(或頻率)振動。比如說一只玻璃杯也有它的固有周期(或頻率)，很多女高音表演過用歌聲震碎玻璃杯的功力，這是因為女高音的歌聲聲波頻率與玻璃杯的固有頻率一致而產生共振所引起的。
同理，不管塔科馬吊橋或虎門大橋都有它的固有周期，用結構動力學可以分析出它各種不同振態的周期，這太專業了不在這邊談。在這邊要提的是，當風的氣流對橋樑產生渦振的周期，如果剛好與大橋某一振態的固有周期一樣時，大橋就可能因共振效應而崩塌。
台灣並沒有這麼長的懸索橋，較不用擔心渦振問題，但有很多設計輕巧的人行陸橋或景觀橋，在使用及維修時仍應注意風力對其可能發生的特殊效應及影響。
＊作者為新北市土木建築學會理事長 土木工程博士、經濟學博士、台大EMBA商學碩士；結構技師、土木技師。
