塔科马大桥垮塌神级分析……

塔科马海峡大桥小数据

桥梁形式：悬索桥， 主跨：2800英尺（853米，全长：5000英尺（1524米），通航净空：195英尺（59.4米）

通车日期：1940年7月1日

坍塌日期：1940年11月7日 

塔科马大桥为什么塌了？

是业界定性的“风洞效应”导致的？

这绝不是唯一原因

……

塔科马大桥的设计者不行吗？O NO！

按照初步计划，

联邦政府需要拨款1100万美元，

用于建造大桥。

莱昂·莫伊塞夫 （Leon Moisseiff），

认为他有更好的办法。

莫伊塞夫是来自拉托维亚的犹太人移民

1895年毕业于哥伦比亚大学，

取得土木工程学位。

之后便加入纽约市桥梁部门，

并参与几乎所有大型悬索桥的设计中。

▲ 莱昂·莫伊塞夫（右一）

▲ 1909年通车的曼哈顿大桥

▲ 1926年通车 的本杰明·富兰克林大桥

▲ 1937年通车的金门大桥

莫伊塞夫成为美国20世纪二三十年代悬索桥的领军人物

1933年， 莫伊塞夫被授予 本杰明 · 富兰克林奖

莫伊塞夫是全钢制桥的早期推行者

而他的“ 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

有了自己的理论体系做支撑

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。

▲ 塔科马海峡大桥施工图纸

莫伊塞夫打算采用 2.4米的 普通钢梁 代替原计划中 7.6米的 桁架梁 。

这不仅将建造成本大幅降低至640万美元，

还使得大桥更加的纤细优雅。

▲ 钢箱梁（左）与桁架（右）对比

可是莫伊塞夫没有想到，

大桥吊装合拢完成后，

只要有4英里/小时的相对温和的小风吹来，

大桥主跨就会有轻微的上下起伏。

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，

两小时后达到42英里/小时，

大桥出现的 波浪形起伏 竟达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。

至此，莫伊塞夫 职业生涯走到尽头……

著名的设计师也会犯“致命”错误

此后，在 冯·卡门等著名的技术专家的关注下

州长设立一个塔科马海峡吊桥倒塌事件考察小组，

冯·卡门系成员之一。

经过初步的研究，

调查小组发现大桥在设计上存在不可忽视缺陷。

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罕见的。

不仅桥面过于狭窄，

只有2.4米高的钢梁也无法使桥身产生 足够的刚度 。

▲ 刚度——物体抵抗变形的能力

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。

再加上大桥两边的墙裙采用了实心钢板，

横截面构成 H形结构 ，对风的阻挡效果将更加明显。

经过风洞内的模型测试后，

卡门断定这场灾难源于一种现象—— 卡门涡街 。

力学工程师们借助有限元分析软件ANSYS

建立了 大桥的有限元模型

生动形象地演示了大桥在卡门涡街条件下的状态

为了避免卡门涡街的危害

新桥已经将原来采用的 箱型梁改回了桁架梁结构

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