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这座耗资600万美金建成的大桥,却被一阵风吹断了

时间:2022-01-03 00:32 点击次数:
  本文摘要:最近,虎门大桥在风中摇晃的视频一下午传遍了微信朋侪圈,有些人好奇地问:区区的一阵风怎么可能把一座现代化的大桥吹成谁人样子?事实上,大桥“异常”发抖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”。真正让人们意识到“卡门涡街”在修建、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,这座桥在其时是美国第三大悬索桥,一度被称为“工程界的珍珠港”。 设计师是业界精英,曾先后到场各著名大桥的制作。修建工人也兢兢业业,绝不存在偷工减料违规造假。

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最近,虎门大桥在风中摇晃的视频一下午传遍了微信朋侪圈,有些人好奇地问:区区的一阵风怎么可能把一座现代化的大桥吹成谁人样子?事实上,大桥“异常”发抖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”。真正让人们意识到“卡门涡街”在修建、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,这座桥在其时是美国第三大悬索桥,一度被称为“工程界的珍珠港”。

设计师是业界精英,曾先后到场各著名大桥的制作。修建工人也兢兢业业,绝不存在偷工减料违规造假。  但这些都无法阻止,大桥建成开通仅4个月后,就在人们恐慌的注视中坠入海峡。

万幸的是,作为20世纪最严重的工程设计错误之一,在坍塌时却没有造成任何人伤亡。它既是现代桥梁修建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。早在1889年,人们就提出了在塔科马海峡上为北太平洋铁路制作栈桥的建议。

  由于大桥的建成将大大利便水师在布雷默顿的造船厂和陆军在塔科马的军事基地的交通,桥的建设也获得了美国军方的鼎力大举支持。然而涉及到资金问题,塔科马海峡大桥的制作计划直到1937年才步入正轨。根据开端计划,联邦政府公共工程治理(PWA)需要拨款1100万美元,用于制作大桥。可是来自纽约的工程师莱昂·莫伊塞夫(LeonMoisseiff),认为他有更好的措施。

莱昂·莫伊塞夫(右一)莫伊塞夫1885年结业于哥伦比亚大学,仅三年后便加入纽约市桥梁部门,并到场到20世纪20至30年月险些所有大型悬索桥的设计中。  他曾揭晓一篇关于曼哈顿大桥制作的文章,这篇文章迅速为他赢得了国际声誉,在工程界极负盛名。制作中的曼哈顿大桥莫伊塞夫相信自己可以把悬索桥建得比以往更轻、细、长。

这个想法在他对塔科马海峡大桥的设计方案中获得了充实体现。塔科马海峡大桥施工图纸莫伊塞夫计划接纳2.4米的普通钢梁取代原计划中7.6米的桁架梁。

这不仅将制作成本大幅降低至640万美元,还使得大桥越发的纤细优雅。可是莫伊塞夫没有想到,方案正式获得通过,也意味着他的职业生涯即将走到了止境。桁(héng)架——由杆件毗连成的空间结构原本大桥设计的抗风能力到达120英里/小时。

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。甚至在制作历程中,工人就已经注意到了这座大桥泛起的晃动现象。

不外,这种起伏的现象没有引起人们过多的担忧。桥上施工的工人还发现了品味柠檬这样的措施,来抵御上下颠簸带来的眩晕感。

在他们看来,满足设计要求的塔科马大桥是宁静且可靠的。1940年7月1日,塔科马海峡大桥如期建成通车。在通车之前,大桥就已经泛起遇风摇晃的情况,这吸引了不少民众专门驱车来一探究竟。

而人们很快发现,大桥颠簸的幅度有点差别寻常。甚至当人在桥上驾车时,可以见到远处的汽车随着桥面的起伏,一会儿消失一会儿又泛起!工程师们也注意到了这个问题,一些专业人员被派遣到现场举行实地监测。其后几个月中,桥面的颠簸幅度不停增加。

大桥治理部门实验过用捆绑缆绳、安装液压缓冲器的方式去减低颠簸,淘汰其对行车的影响,但没有取得乐成。1940年11月7日上午,风儿似乎比以往更要喧嚣一些。技术人员在7:30测得风速38英里/小时,两小时后到达42英里/小时,大桥泛起的海浪形起伏竟达1米多。

这时,记者里奥纳德·科茨沃斯(Leonard Coatsworth)正驾车驶过塔科马大桥。车后座上是他的宠物狗,只有三条腿的玄色卡宾犬Tubby。

两者都对接下来要发生的事浑然不知。毫无预兆下,大桥路面的一侧突然被风掀了起来。这引起了桥身侧向猛烈的扭动,和之前的起伏情况大不相同。在桥面过于猛烈的颠簸下,科茨沃斯被迫将车停在距离东塔137米的地方。

而他停车的地方距离出口的收费站另有578米,因为强大的横风使车发生了侧移,那时候风的时速已经到达69km/h。科茨沃斯跌跌撞撞地爬下汽车,大桥开始像麻花一样往返扭动,他的耳边充斥着混凝土撕裂的声音。疯狂的扭动使得路面一侧翘起达8.5米,倾斜到达45度。大部门时候科茨沃斯只能靠着手和膝盖爬行,可往返波荡的路面让逃生变得异常艰难。

当他拼尽全力到达宁静地带后,转头眼见了一生难忘的情形。蒙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。

这次事件没有造成人员伤亡。只管科茨沃斯与朋侪多次实验营救,车里的卡宾犬仍然成为了事故唯一的牺牲者。大桥坍塌后,美国组建了一个事故观察委员会。

其中成员就包罗空气动力学家冯·卡门(Theodore von Kármán)。卡门是匈牙利犹太人,1930年移居美国后卖力指导古根海姆气动力实验室和加州理工大学第一个风洞的设计和建设。

NASA著名的喷气推进实验室(JPL)亦是由他建立。风洞实验室生活中的卡门是一个诙谐健谈的人。在我国科学家钱学森赴美留学期间,卡门曾作为他的导师,两人情感十分深厚。

也正是由于卡门的观察,才使得塔科马海峡大桥事故的原因水落石出。冯·卡门经由开端的研究,委员会发现大桥在设计上存在不行忽视缺陷。

首先塔科马大桥主跨长853.4米,桥宽却只有可怜的11.9米,这在同时期的悬索桥上是十分稀有的。不仅桥面过于狭窄,只有2.4米高的钢梁也无法使桥身发生足够的刚度。刚度——物体反抗变形的能力其次在原计划中,风可以从桁架梁之间自由穿过。

但换成普通的钢梁后,风则只能从桥上下两面通过。再加上大桥双方的墙裙接纳了实心钢板,横截面组成H形结构,对风的阻挡效果将越发显着。然而,对于塔科马大桥坍塌的准确理论原因,专家们并没有告竣统一意见。—部份工程师认为塔科玛桥的振动类似于机翼的颤振。

以卡门为代表的另一派专家则认为,塔科玛大桥的桥身是H型断面,和流线型的机翼差别。经由加州理工学院风洞内的模型测试后,卡门推测这场灾难源于一种现象——卡门涡街。这是一个在自然界广泛存在的现象。

好比在水流中插一根木桩,在特定条件下木桩下游的两侧,会发生两道非对称排列的旋涡。这两排旋涡旋转偏向相反,相互交织排列,就像街道双方的街灯一样。从太空俯瞰智利海岸的卡门涡街在这次事故中,桥双方的钢板就像是水流中的木桩。

当风形成的高速漩涡不停从桥身双方脱离时,会对桥身发生一个交替的侧向力。卡门涡街是有纪律的周期性现象,也就是说漩涡的形成和侧向力的作用,是具有一定频率的。塔科马大桥自己也有自己的频率,当两个频率靠近的时候便会发生共振。

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而发生共振的结果,现在大家都知道了。经由一番盘算和实验,卡门的分析果真获得了证实。大桥坍塌的画面被当地照相馆的老板巴尼·埃利奥特(Barney Elliott)用16mm胶片记载了下来。

这段珍贵的视频资料被美国国会图书馆选定生存在美国国家影戏挂号处,被誉为:"在文化、历史和审美学方面有着重要意义"。同时也成为修建工程学学生最好的课堂教育片之一。

1950年,新建的塔科马海峡吊桥在经由严谨设计制作后通车运营,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,防止卡门涡街的发生。稳稳耸立于海峡之上的它,逐日通车流量高达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。新建的塔科马海峡吊桥宁静行桥它们将继续完成第一座塔科马海峡大桥的事情。

固然我们也不能过多地指责制作大桥的工程师们。谁人年月的人们对悬索桥的空气动力学特性知之甚少,因此这场灾难在其时来说基本上是无法预测的。而正是塔科马海峡大桥的坍塌引发了全世界科学家对风振问题的研究,促成桥梁风工程等种种新学科的建设。

桥梁断面如今我们制作大型桥梁时,可以通过修改结构断面形状或安装空气稳定装置,来改善绕过断面的气流。也可以通过安装阻尼器等方式减小桥梁的振动,使桥梁越发地宁静耐用。

对桥梁风振问题的研究,使人类近几十年来得以不停突破桥梁的跨度记载。


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