被风吹塌的大桥

本文经微信公众号“中科院地质地球所”授权转载

 

在人类建桥史上，因洪水、地震、冰冻及漂浮物撞击等自然因素而倒塌的大桥屡见不鲜，然而历史上还有桥梁因受大风作用而倒塌的现象。

今天小编带领大家认识一座曾被风吹塌的大桥——塔科马海峡大桥。

塔科马海峡大桥（英语：Tacoma Narrows Bridge）位于美国华盛顿州。

它于1940年7月1日建成通车，当时为仅次于金门大桥和乔治华盛顿大桥的世界上第三大悬索桥，并于同年11月7 日被大风摧毁。

   

大桥建设：      

1889年，人们就有兴趣在华盛顿州塔科马市和基察普半岛之间的普吉特海湾建造一座桥梁（塔科马大约十年前就已合并为一个城市，人口为36000人）。

太平洋铁路公司希望在这两个地点之间加快服务速度，并提出建设一座栈桥。

因为跨度太长并且现场的天气太极端而无法支撑栈桥结构，该计划被拒绝。

直到1920年，人们才进一步尝试在海湾之间架起一座桥梁，当时政府拨款用于研究不同的桥梁设计方案。

桥梁专家认为，建设悬索桥将是最佳的解决方案。

大桥位置

专家推荐大桥使用非常坚固的设计进而可以抵御海峡中的强风。

克拉克·埃尔德里奇（Clark Eldridge）初步计划要求使用一组7.62米高的桁架来支撑和加固大桥。

不过，加固措施带来大桥成本的提高。

这时著名的纽约桥梁设计师莱昂·莫伊塞夫（Leon Moisseiff）因在金门大桥上的工作而闻名，他提出了一个低成本桥梁的设计。

该设计基于与纽约工程师弗雷德里克·莱恩哈德（Frederick Lienhard）一起发表的突破性论文。

该文提出了一种新的弹性分布理论。

莫伊塞夫（Moisseiff）和莱恩哈德（Lienhard）提出的弹性分布理论超越了奥地利工程师约瑟夫·梅兰（Josef Melan）提出的较早的挠度理论。

他们提出，通过桥上的吊架加固主线缆可以吸收最多一半的风压力。

他们解释说，这些能量可以传输到锚索和塔上并被它们吸收。

基于这一理论，莫伊塞夫（Moisseiff）提出了全新的大桥设计，该桥具有一组2.44米高的板梁，取代原来设计中的7.62米高的桁架。

最终政府决定采用莫伊塞夫（Moisseiff）的概念，因为它一方面大大降低了成本，另一方面线条流畅造型轻盈与当地环境融为一体。

莫伊塞夫设计图纸

这座桥的建造始于1938年9月27日。

仅用了19个月便完成了建造。

完成后，它是世界上第三长的悬索桥，仅次于纽约的乔治华盛顿大桥和旧金山的莫伊塞夫（Moisseiff）的金门大桥。

乔治华盛顿大桥

金门大桥

塔科马海峡大桥

   

问题浮现      

在施工过程中建筑工人发现了该桥的严重问题：在刮风的日子，大桥会不受控制的摇摆。

在轻度到中度的风中，桥梁的两边每四到五秒钟会上升和下降1m。

大桥的极端晃动，使大桥桥面的两侧交替地抬起。

此时莫伊塞夫设计的塔科马海峡大桥的先天不足体现出来了，大桥长850米但只有11.89米宽，2.44米厚，刚性有限，因此在风中很容易摇摆。

面对桥梁上的摆动。

工程师们没有放弃严重缺陷的结构设计并重新设计一个新的结构，而是采取了几个措施来尝试对其进行修复。

这些包括：

·           使用钢缆将板梁绑到岸上五十吨的混凝土砌块上以稳定桥面。 然而该解决方案无效，钢缆在安装后不久即断裂。

·           添加一对倾斜的斜拉索，将桥的主线缆连接到桥面中心。这些措施几乎没有减少桥梁晃动。

·           在塔架和桥面之间安装液压缓冲器进而限制桥面上下运动。然而，在桥梁准备喷漆的过程中它们受到了损坏，并且从未投入使用。

尽管桥面摇摆问题没有解决，政府还是决定大桥在 1940 年 7 月 1 日开放通行。

桥梁开放后，政府仍在尝试采取措施以使摇摆得到控制。华盛顿大学工程系的学者建立了 1 ： 200 比例的桥梁模型，并用它进行风洞测试。

风洞测试后，该大学建议在侧梁和甲板的其他部分钻孔。他们的测试表明，这将使风吹过，从而减小提升力。此选项被当地官员拒绝，他们认为这可能会永久损坏桥梁。

该大学还建议在桥面上增加结构部件，以使其形状转变为更具空气动力学特性。

但是在措施实施之前大桥就倒塌了。

   

大桥的倒塌      

塔科马海峡大桥（Tacoma Narrows Bridge）于1940年11月7日开放，通车仅四个多月就发生了倒塌。

唯一丧生的是巴尼·埃利奥特（Barney Elliott）的视频中的那只狗，当狗跌入普吉特海湾（Puget Sound）后，他淹死在主人的车里。

塔科马大桥的失败也结束了莫伊塞夫（Moisseiff）的职业生涯。

大桥破坏程度如下：

主线缆：

在坍塌过程中，主悬吊线缆猛烈地左右摆动，扭曲并扔向空中 30 米。

在中跨的北部线缆上，线缆束带松动，它扯断了 350 多根线缆。其他线缆受力严重并变形。

主要线缆全损，他们唯一的价值是废金属。

吊索：

   

   剧烈的坍塌折断了许多吊索。有些丢失了，有些受到严重损坏。他们现在唯一的价值是废金属。

塔：    主塔（西塔， 4 号；东塔， 5 号），包括支撑撑杆，都经过了扭转和弯曲。

他们现在唯一的价值是废金属。

桥板 - 地板系统：    

毫不奇怪，位于窄管底部的中间跨度的混凝土和钢材被视为全部损失。侧面的其余破碎混凝土需要清除。

地板系统的部分弯曲且承受过大压力，他们现在唯一的价值是废金属。

侧面跨度：

中间部分损失，然后是侧面跨度的下降造成了严重的损坏。

这些事件使板梁和楼板梁受力并变形。

有些弯曲无法修复。

码头：

西码头和东码头均未受到损坏。

中心跨度的崩溃导致铆钉部分转向，这些铆钉将塔架连接到墩顶。

锚固：

主电缆的锚固未损坏。

为了建造替换桥，旋转新的主电缆，必须去除部分混凝土。

   

倒塌原因      

六十年来，工程师们一直在研究1940年塔科马海峡大桥的倒塌。

至今尚未达成一致同意的明确描述。

工程师们仍在争论大桥倒塌的确切原因，这一事实证明了自然现象异常复杂。

盖蒂疾驰的最初解释被描述为“扭转颤动”。

1.桥长850米但只有11.89米宽，2.44米厚，刚性有限，对扭转（扭转）力的抵抗力相对较小。那Gertie的长而窄且薄的特点使结构非常灵活。

2.1940年11月7日上午10点后不久，发生了严重事件。北电缆中跨的线缆带滑落。这样就可以将线缆分成两个不相等的部分。这导致桥面板从垂直（上下）运动变为扭转（扭转）运动。

3.“涡旋脱落”也是造成桥面板扭转运动的原因。简而言之，在窄桥中发生了涡旋脱落，如下所示：

（1）风吹到窄桥的桥面侧面，即2.44米厚的实心板梁上。在桥面板中发生少量扭曲。

（2）桥面扭曲导致风流分离增加。这形成了涡旋或旋转的风力，进一步抬升并扭曲了甲板。

（3）甲板结构抵抗了这种抬起和扭曲。它有恢复其先前位置的自然趋势。 当它返回时，其速度和方向与提升力匹配。换句话说，它与涡旋 “ 同相 ” 移动。然后，风增强了这种运动。这产生了 “ 锁定 ” 事件。

4.仅靠风的外力不足以引起严重的扭曲，从而导致狭窄的大桥失灵。

5.由于北线缆中跨的线缆带滑落，桥面板从垂直（上下）运动变为扭转（扭转）运动，甲板运动进入“扭转颤振”状态。

“扭转颤振”是一个复杂的机制。

“颤振”是自感应的谐波振动模式。

这种不稳定性会增长到很大的振动。

当桥的运动从垂直振动变为扭转振动时，结构吸收了更多的风能。

桥面的扭转运动开始控制风涡，因此两者是同步的。

结构的扭曲运动变得自发。

换句话说，作用在桥上的力不再是由风引起的。桥面自身的运动产生了作用力。

工程师称此为“自激”运动。

这很关键，两种不稳定性类型，即涡旋脱落和扭转颤动，都在相对较低的风速下发生。

通常，涡旋脱落发生在相对较低的风速（例如25至35 mph）下，而扭转颤动则发生在较高的风速（例如100 mph）下。

由于莫伊塞夫（Moisseiff）的设计，大桥抵抗扭转力的能力相对较弱，因此从涡流脱落的不稳定性开始，桥就变成了“扭转颤动”。

现在，桥梁已经超出了其 “缓冲”运动的自然能力。

一旦开始扭转运动，它们就控制了涡流力。

扭转运动开始时很小，并建立在其自身的感应能量上。

换句话说，塔科马海峡大桥的扭曲引起更多的扭曲，然后扭曲越来越大，最终导致大桥坍塌。

如果 建造了克拉克·埃尔德里奇（Clark Eldridge）为1940年塔科马海峡大桥所做的原始设计，而不是莱昂·莫西耶夫（Leon Moisseiff）的设计，会怎么样？

它会在1940年11月7日的大风中坍塌吗？

答：桥梁不会倒塌。

这是顶尖的桥梁工程师的意见，他们认真研究了埃尔德里奇（Eldridge）的7.62米厚的加劲桁架的设计。

 一位高级结构工程师说：“毫无疑问，我相信这座桥在破坏塔科马海峡大桥的风速下空气动力学上是稳定的。”

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