桥梁建设,最重要的是什么?对大多数桥梁来说,最重要的是有效地克服重力,自我屹立的方法,对于悬索桥来说,克服重力一样重要。也就是说,如何让风通行。(大卫亚设)。
在人类的桥梁建筑历史上,悬索桥的出现绝对可以算得上是一个里程碑。首先从外观上来看,悬索桥毫无疑问拥有 更加迷人的外观,其次就结构而言,悬索桥的结构看起来也更加简单,且建筑成本也更加低廉。普通的桥梁,为了获得足够抵抗重力的坚固结构,需要建造大量的桥墩,而悬索大桥却只需要两座主塔就可以支撑起一座数千英尺的桥梁。目前世界上最大的悬索桥是日本的明石海峡大桥,其主跨达到了1991米,也仅由两座主塔支撑,自1998年通车以来,至今已有20多个年头,稳定性没得说。
悬索桥集美观、坚固、省钱于一身,但也有一个前提,那就是设计要合理,合理的设计是一架悬索桥的灵魂,如果没了灵魂,那么桥梁便会成为一个虚有其表的摆设,坍塌只在一瞬之间,一个反面的例子就是美国的塔科马海峡大桥。
塔科马海峡大桥全长1524米,也就是5000英尺,其主跨也达到了2800英尺,其于1940年建成通车,在当时也算得上是世界上第三大的悬索桥了。与过往所建造的悬索桥相比,塔科马海峡大桥的外观更加惊艳,可遗憾的是,从这座悬索桥建成之时起,它就在晃动,而且在晃了四个月以后,终于被微风摧毁了。这到底是哪里出了问题呢?从人们有意愿建造塔科马海峡大桥到真正开始着手计划,这之间就经历了30余年的岁月,而从着手计划开始,一连串的问题就出现了。
问题是多种多样的,而所有的问题的关键只有一个,那就是缺钱,在几经磋商之后,最终的拨款额度还是不足以支付建桥的全部费用。
那么既然缺钱,那别建了不就行了吗?也不行。因为大桥一旦建成,从布雷默顿到塔科马就会变得极为方便,而海军在布雷默顿有个造船厂,陆军在塔科马有个军事基地,两方的交通就会变得极其方便,于是军方对建造大桥大力支持。
一方面钱不够,另一方面又要建,此时救星出现了,那就是莱昂·莫伊塞夫,这位设计师几乎参与了过往十年间世界上所有悬索桥的设计,他提出了一个方案,把原设计中7.6米的桁架梁取消掉,改为用2.4米的钢板来代替,根据莫伊塞夫的理论,这样做不仅不会带来问题,还会使刚度增加。如此一来,成本大幅下降,钱差不多就够了,还差一点再通过收税筹集一下也就行了。
就像我们知道的那样,大桥最终建成通车了,而仅4个月之后,就被微风所摧毁了,怎么会这样呢?
在一个物理系统内部存在着一个共振频率,由于系统存储了动能,所以在共振频率下,很小周期的振动就会产生很大的振动。以拍皮球为例,当皮球从地面弹起,快速向上移动的时候,我们用力拍下去,这个游戏基本上就结束了。
但如果皮球在向上弹起的过程中,我们的手在皮球上方等待皮球弹到最高点要转而向下的时候,我们只需要轻轻往下一拍,皮球就会比之前弹得更猛,按照这种方法,我们很容易就能够拍上几十上百下,这就是一种共振。
当流体物质通过钝状物体后,会在后方产生两排运动极有规律的非对称的漩涡,而这种现象就被称之为漩涡脱落。
塔科马海峡大桥倒塌的当日,大桥的晃动就与这种漩涡脱落现象形成了共振,所以大桥越晃越大,最终毁于一旦。当然,共振并非唯一原因,那么多悬索大桥,怎么只有这座坍塌了呢?我们可以回过头来说说那个被取消的桁架梁了。
桁架梁的存在并不仅仅是为了增加桥梁的刚性,还可以让风顺利通过,最大可能减少风振影响。但在将桁架梁换成了不透风的钢板之后,风在桥梁上下两方形成了两个相对的漩涡,使得桥梁越扭越大,最终垮塌。其实在桥梁倒塌的当日,风力仅为8级,你可能觉得很大,但对于海峡大桥而言,这也就是个日常,只能算是微风。拜塔科马海峡大桥事故所赐,从此在建筑工程学的必修课之中多了两门课程:空气动力学和共振实验课。