缠在发射塔上的那几道螺旋——几百米高、常年大风，它靠什么不被涡激共振晃塌

七月一个潮湿的清晨六点半英格兰西约克郡和德比郡交界的高地上。这里是Holme Moss发射台英国海拔最高的发射站之一常年大风。塔身由十几根钢拉线斜拉着固定。走近看有些拉线上每隔一段就缠着一圈螺旋状的细丝像拧在缆绳上的弹簧。不是每根拉线都有。有的缠几圈有的从头缠到尾。缠得最密的那一根是朝西南方向、最外侧的一根。英国一年里大部分时候刮西南风。这一个细节就是整件事的入口拉线缠丝的密度跟它迎风的方向对得上。这圈不起眼的细丝是用来保命的。拉线断了塔就倒先说清楚这些塔有多依赖拉线。几百米高的发射桅杆自己站不住。它细。华沙那座646米的塔塔身截面才4.8米宽Holme Moss也是同一类瘦高结构。这种塔靠的是几层、十几根钢拉线从不同高度斜拉到地面把它箍在原地。拉线不是配件是结构本身。有多要命控制爆破拆这种塔办法就是剪断拉线。拉线一断塔自己就塌了。换句话说让拉线失效的任何东西都是直接冲着整座塔来的。笔者此前写过华沙电波塔倒塌1991年那座世界最高建筑在一次例行更换拉线时轰然倒下事后查出来是拉线早就断丝、金属疲劳搁置了两年没换。1969年英国Emley Moor塔倒塌则是强风加上塔顶和拉线积冰压垮的。这一篇讲的是平时没出事的那些塔靠什么不出这种事。而拉线最怕的那种慢性损伤也就是金属疲劳恰恰是风一手造成的。▲图Holme Moss的拉线桅杆。十几根钢拉线从不同高度斜拉固定迎西南风的那几根缠丝最密。风吹过一根缆绳会发生什么风吹在一根圆柱形的钢缆上不会顺滑地绕过去。气流贴着缆绳表面走到一半会甩开在背风侧甩出一个打着旋的低压区——一个涡。下一个涡从另一侧甩出来。再下一个又回到这一侧。涡就这样左一个右一个交替着从缆绳后面脱落排成两列。这个现象有个名字叫卡门涡街流体绕过钝头物体时背后交替脱落的涡列。问题出在每一次脱涡上。涡一脱落缆绳两侧的压力就差一下缆绳被往侧面推一下。涡交替着脱缆绳就被交替地往两边推——一个垂直于风向、来回摆动的力就这么周期性地加在整根拉线上。风越稳、越是那种不带湍流的层流这个涡列排得越整齐推得越有节奏。一根又长又直的拉线是制造这种涡列的理想对象。平时这点摆动看不太出来。真正的麻烦是频率撞上的那一刻。撞上固有频率每根拉线都有自己的固有频率——绷着的弦被拨一下会按某个频率振是同一回事。当脱涡的节奏正好接近拉线的固有频率共振就发生了。原本毫米级的小摆动被一圈圈放大。一根几百米塔上的拉线可能就在风里持续地、肉眼可见地抖起来。抖本身不致命致命的是抖个不停。金属来回弯折时间一长就疲劳强度下降、出现裂纹。裂纹先从钢丝单股或者从拉线与塔身、与地锚的夹具连接处开始。这正是华沙塔事后查出来的那种断丝。除了拉线本身长期振动还会震坏绝缘子、松动塔身螺栓。风致振动按幅度和频率分两种。一种叫驰振频率很低0.08到3赫兹振幅大到能用米来量高压输电线上那种大幅度甩动就是它。另一种就是上面说的涡激振动频率高些3到150赫兹振幅是毫米到厘米级。前者看着吓人后者不显眼但日积月累地磨拉线的往往是后者。解法让风没法排出整齐的涡知道问题在那列整齐的涡解决办法就清楚了别让它排整齐。回到开头那圈螺旋丝。它缠在拉线外面故意把贴着缆绳的气流搅乱。气流一乱涡就没法在固定的位置、按固定的节奏脱落涡列被打散那个周期性的侧向力也就跟着散了。共振起不来振幅压到不伤结构的程度。▲图光滑缆绳在背风侧排出整齐的涡列频率撞上固有频率就共振缠一圈螺旋丝把气流搅乱涡列散了共振就起不来。这种螺旋扰流条的有效性是1957年由Christopher Scruton和D.E.J. Walshe在英国国家物理实验室发现的因此常被叫作Scruton扰流条。有个经验数字扰流条的高度做到圆柱直径的百分之十左右抑制涡的效果最好。它最直观的样子不在拉线上在烟囱上。很多大烟囱外壁会盘一道螺旋的鳍——干的就是同一件事把绕着烟囱往上爬的风搅乱免得整座烟囱在风里共振。拉线上那圈螺旋丝比缆绳本身细缠上去起的是同样的作用。▲图烟囱外壁盘着的那道螺旋鳍和缠在拉线上的螺旋丝是同一招——把贴着圆柱爬的风搅乱不让它排出整齐的涡。这里要分清一件事。Holme Moss的拉线是纯结构件只管拉住塔不带电所以缠的螺旋丝是金属的。而很多中波台不一样——整座塔本身就是天线中波台靠塔身辐射电波工程上叫桅杆辐射器拉线得用绝缘子一段段隔断免得把电流引到地里。两类塔看着像电气上是两回事。螺旋丝之外还有更重的家伙螺旋丝管的是高频小幅振动。塔越大要对付的动静越大办法也越重。1969年Emley Moor塔倒塌之后附近的Winter Hill和Belmont两座塔做了加固在每座塔的结构里挂上150长吨约150吨的钢链专门用来吃掉风引起的摇晃。塔一动沉重的链条跟着晃但晃得不同步互相一拧就把摆动的能量耗掉了。北威尔士的Moel y Parc塔用的是另一招塔顶靠上的位置装了一个调谐液体阻尼器——一个银色的箱子里面是液体。塔往一边晃箱里的液体往反方向涌正好抵消一部分。这类装置的统称叫调谐质量阻尼器TMD也叫谐波吸振器。原理都一样挂一个会反向运动的配重把结构的振动能量引到它身上耗散掉。它不只用在塔上——汽车、桥梁、航天器、风力发电机、摩天楼里都有。台北那座著名的高楼里吊在顶上的大铁球就是这个。连架空电力线上都有它的微缩版叫斯托克布里奇阻尼器一小段钢索两头各坠一个配重做成哑铃形夹在电线中段。电线被风激起涡振哑铃跟着颤把振动能量耗掉。下次留意一下高压线靠近铁塔的那一截挂着的小哑铃就是。▲图架空电力线上的斯托克布里奇阻尼器哑铃形。和塔上的钢链、液体箱是同一个思路的不同尺寸。一圈细丝的份量回到Holme Moss那根缠得最密的拉线。它对着西南对着这片高地一年里最常来、也最稳的风。风越稳涡列排得越整齐共振的威胁越大所以这根缠得最密。缠丝的疏密是把常年的风况一圈圈记在了拉线上。华沙那座塔倒在拉线断丝和金属疲劳上。让金属疲劳的正是日复一日没被压住的风致振动。一座几百米的钢塔站在旷野里几十年不倒靠的不只是粗壮的塔身和拉线还有这些缠在缆上的螺旋丝、吊在塔里的钢链、塔顶那个晃来晃去的液体箱——一整套专门跟风的节奏对着干的小东西。它们都不显眼。但塔能立着有它们一份。