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【大桥断裂的美国电影】80年前,美国一座跨海大桥被8级风吹塌,通车仅4个月

5月5日,虎门大桥异常晃动的视频朋友圈:

虎门大桥桥专家:特殊的风事件桥梁摇晃是正常的

虎门大桥桥专家介绍说,桥梁遇到特殊的风情况时摇晃是正常的,一般漩涡风桥面摇晃比较大。

为了司乘行车安全,目前交警对虎门大桥进行双向全封闭。

初步了解,桥梁主体结构未受损。基于安全考虑,虎门大桥管理部门迅速启动应急预案,配合交警实施双向交通管制措施,省交通集团已组织养护技术人员对桥体进行检查并组织专家研判。据初步了解,桥梁主体结构未受损,具体原因正在调查。

对桥梁有一定了解的人们都知道那件非常著名的桥梁风毁事故,1940年塔科马大桥风毁事件,该桥建成4个月就在19m/s的8级大风下因扭转发散振动(扭转颤振)而坍塌,这次事故引起了桥梁工程界的震惊,也促进了风对桥梁作用的研究。

自从这次事件起,当时人们往前追溯发现,从1818年起至少已有11例悬索桥遭到风毁,其中英国苏格兰的tay桥倒塌造成75人死亡的惨剧,长期以来,在桥梁工程的设计中都没有充分重视风对结构的作用。

1962年到1963年间,日本的一座简易人行吊桥和一座架设中的桁架桥相继遭到风毁。近些年,我国桥梁遭到风害事件也时有发生,如广东南海九江公路斜拉桥施工中吊机被大风吹倒,砸坏主梁;江西九江长江公路铁路两用钢拱桥吊桥的涡激共振,上海杨浦斜拉桥索缆的涡振和雨振使套索损坏等。

事实上,大桥“异常”抖动或晃动的状况时有发生——这是流体力学中重要的现象“卡门涡街”。但是,真正让人们意识到“卡门涡街”在建筑、桥梁、飞机制造设计以及船舶领域的重要影响,当属美国的塔科马海峡吊桥事件——它既是现代桥梁建筑史上最为标志性的灾难,也成为物理学和工程学的经典研究案例。


▲塔科马海峡吊桥垮塌。图据《商业内幕》

据《商业内幕》报道,美国华盛顿州的塔科马海峡吊桥(Tacoma Narrows Bridge)建于1938-1940年间,是当时仅次于金门大桥和乔治·华盛顿大桥的世界第三长吊桥。它的设计师莱昂·莫伊塞夫是美国20世纪二、三十年代悬索桥的领军人物,也是全钢制桥的早期推行者。

莫伊塞夫的“变形理论”广负盛名,根据这个理论,桥梁长度越大,允许的变形也越大。正因为如此,莫伊塞夫相信自己可以把悬索桥建得比以往更轻、更细、更长,这个想法在他对塔科马海峡大桥的设计方案中得到了充分体现。

可令莫伊塞夫没有想到的是,大桥吊装完成后,只要有4英里/小时的“小风”吹来,大桥主跨就会有轻微的上下起伏。甚至在建造过程中,工人就已经注意到了这座大桥出现的晃动现象。

通车后,在桥上驾车的司机,可以看到桥的另一端的汽车随着桥面跳动,一会儿消失一会儿又浮现出来的奇观,因此当地居民戏称塔科马桥为舞动的格蒂(Galloping Gertie,格蒂是美国最早动画片中主角恐龙的名字,意味着大桥像一头跳舞的恐龙)。这种现象竟成了一道风景线,吸引远道而来的人们前往观赏,感受坐过山车的味道。

1940年11月7日,技术人员在7:30测得风速为38英里/小时,两小时后增强至42英里/小时,而此时的塔科马海峡吊桥,桥面波浪形起伏已达1米多。疯狂的扭动使得路面一侧翘起达8.5米,倾斜达到45度。



最终,承受着大桥重量的吊索接连断裂,失去了拉力的桥面就像一条发怒的蟒蛇在空中奋力挣扎。建成通车仅四个月后,120多米的大桥主体轰然坠入塔科马海峡,激起了一大片烟尘。

据《福布斯》报道,塔科马海峡吊桥倒塌后第二天,著名物理学家冯·卡门觉得此事不妥,便用一个塔科马海峡吊桥模型进行试验。结果不出他所料,塔科马海峡吊桥倒塌事件的元凶,正是“卡门涡街”引起的桥梁共振——

在必定的风速规模内,穿过大桥的气流会周期性地产生两串平行的反向旋涡,连续性的旋涡会对被绕的桥梁产生周期性浸染力,这种浸染力和大桥震动的频率接近时,就会产生共振。共振越强,大桥摆动扭曲的幅度便会越大。


▲卡门涡街示意图

当然,设计之初,为了美观和节省投资,莫伊塞夫使用过轻的物料,并将大桥从7.6米高的钢桁架主梁降至2.4米高的钢板梁,也是酿成灾难的原因之一。

但毫无疑问的是,塔科马海峡吊桥为后来的桥梁设计与建造敲响了警钟。毕竟,当时的桥梁设计界尚未认识到“卡门涡街”的严重危害,仍然是从传统的桥梁承重等设计角度出发开展大桥的设计。此后的十年内,桥梁空气动力和空气弹性学出现并进一步完善。

▲新建的塔科马海峡吊桥和平行桥。图据bechtel

1950年,新建的塔科马海峡吊桥在经由严谨设计建造后通车运营,道床厚度增至10米,并在路面上加入气孔,使空气可在路面上穿越,防止卡门涡街的产生。稳稳矗立于海峡之上的它,每日通车流量高达6万车次,因此也被称为“强壮的格蒂”。2007年,新的平行桥通车,行车线由两条增至4条,是现今全美国第五长的悬索桥。

塔科马大桥风毁事故震动了世界桥梁界甚至科学界,科学界加强了对空气动力学的研究,引发了科学家们对桥梁风致振动问题的广泛研究,促成桥梁风工程等各种新学科的建立,桥梁设计也必须进行严格的数学分析和风洞试验验证,空气动力学和共振实验成为了建筑工程学的必修课。

同时为了保证营运桥梁的安全,桥梁界还意识到必须对大桥进行安全监测,促使了桥梁健康监测行业的诞生。塔科马海峡大桥的倒塌,成为了后世桥梁建造的基石,指引着一代代工程师在经验教训中不断前行。


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