耗資百萬大橋，通車四個月竟被大風吹斷，卻成為建造史上的裡程碑
2023-03-31 08:08:51
今天，虎門大橋在風中搖晃的視頻整個下午都在微信上傳播。有些人好奇地問:真的有一座現代橋梁被風吹倒了嗎？
在建港珠澳大橋香港段
你不說，真的有。半個多世紀前，美國的一座海峽大橋就這樣結束了它的生命。
然而，令人不可思議的是，吹下大橋的風只有8級。
經過四個月的運營，這座橋很容易被海邊頻繁的強風吹倒，似乎成了笑柄。然而，它的犧牲已經成為橋梁史上的經典，經常被列入各種工程教科書。
對許多人來說，塔科馬海峽橋是一個奇怪的名字。但是它在風中詭異的扭曲被廣泛傳播。如果你事先不知道，你就不會相信自己的眼睛。
當時，這座橋是美國第三大吊橋，曾被稱為「工程界的珍珠港」。
設計師是行業精英，先後參與了著名橋梁的建設。建築工人也很盡責，絕對沒有作弊。
然而，這一切都無法停止。這座橋建成並開放僅四個月後，就在人們驚恐的注視下落入了海峽。幸運的是，作為20世紀最嚴重的工程設計錯誤之一，它倒塌了，沒有造成任何傷亡。
這是一個經典案例，在所有的工程教學中都不能忽略。
早在1889年，人們就提議在塔科馬海峽為北太平洋鐵路修建一座棧橋。
由於大橋的建成將極大地便利布雷默頓海軍造船廠和塔科馬陸軍軍事基地之間的運輸，大橋的建設也得到了美國軍方的大力支持。
然而，說到資金，塔科馬海峽大橋的建設直到1937年才步入正軌。
根據初步計劃，聯邦公共工程管理局將需要撥款1100萬美元來建造這座橋。
但是來自紐約的工程師利昂·莫西夫認為他有更好的方法。
利昂·莫伊塞夫(右一)
莫伊瑟夫於1885年畢業於哥倫比亞大學，僅三年後就加入了紐約市橋梁系，並參與了20世紀20年代和30年代幾乎所有大型懸索橋的設計。
他曾發表過一篇關於曼哈頓大橋建設的文章，這很快為他贏得了國際聲譽和工程界的巨大聲譽。
正在建設中的曼哈頓大橋
莫伊瑟夫相信他可以建造比以前更輕、更薄、更長的吊橋。
這個想法在他設計的塔科馬海峽大橋中得到了充分的體現。
塔科馬海峽大橋施工圖
莫伊塞夫計劃用一根2.4米長的普通鋼梁取代原來的7.6米長的桁架梁。這不僅將大大降低建設成本到640萬美元，而且使橋梁更細長和優雅。
然而，莫伊瑟夫並不認為該計劃的正式通過也意味著他職業生涯的結束。
框架-A 空構件連接的結構
最初，這座橋被設計成能承受高達每小時120英裡的風速。
然而，在大橋被吊起並關閉後，只要有4英裡/小時的相對溫和的微風，大橋的主跨就會有輕微的波動。
橋梁電纜
然而，跌宕起伏並沒有引起太多的關注。在橋上工作的工人還發明了咀嚼檸檬的方法來抵抗上下顛簸引起的眩暈。
在他們看來，符合設計要求的塔科馬大橋是安全可靠的。
1940年7月1日，塔科馬海峽大橋竣工並如期通車。
在通車之前，這座橋已經被風搖動了，這吸引了許多人專門開車去尋找答案。
然而，人們很快就發現這座橋的波動範圍有些不尋常。
即使當人們在橋上開車時，他們也能看到遠處的汽車隨著橋面的起伏而消失和再現。
工程師們也注意到了這個問題，一些專業人員被派往現場進行現場監控。
在接下來的幾個月裡，橋面的起伏不斷增加。橋梁管理部門試圖通過捆綁電纜和安裝液壓緩衝器來減少波動及其對交通的影響，但失敗了。
1940年11月7日早上，風似乎比以前更吵了。
技術人員在7: 30以每小時38英裡的速度測量了風速，兩小時後達到了每小時42英裡。這座橋的起伏超過1米。
這時，記者倫納德·科茨沃斯正駕車穿過塔科馬大橋。
在汽車後座上的是他的寵物狗，一隻三條腿的黑色卡賓槍。兩人都不知道接下來會發生什麼。
科茨沃斯——橋上的最後一個人
沒有任何預兆，橋路的一邊突然被風吹起。這導致橋的一側劇烈扭曲，這與之前的起伏很不一樣。在橋面過度起伏的情況下，科茨沃斯被迫將車停在離東塔137米的地方。
他停車的地方離收費站有578米。
科茨沃斯跌跌撞撞地走下汽車，橋開始像扭曲一樣來回扭曲，他的耳朵裡充滿了混凝土撕裂的聲音。
這種瘋狂的扭轉使得道路的一邊傾斜了8.5米，傾斜了45度。
大多數時候，科茨沃斯只能用手和膝蓋爬行，但崎嶇的道路使他極難逃脫。當他盡力到達安全地帶時，他轉過身，看到了他一生中難忘的一幕。
承載橋梁重量的吊索一個接一個地斷裂，沒有張力的橋面就像一條憤怒的蟒蛇在與0+搏鬥。
這座120米長的大橋建成通車僅四個月後，它的主體就撞上了塔科馬海峽，引起了一場大的轟動。
這起事件中沒有人員傷亡。
儘管科茨沃思和他的朋友們多次試圖營救他，汽車裡的卡賓槍仍然是事故的唯一受害者。
大橋倒塌後，美國成立了事故調查委員會。這包括空氣動力學科學家西奧多·馮·卡門·n。
卡門，匈牙利猶太人，1930年移居美國後，負責指導古根海姆空氣動力學實驗室和加州理工學院第一個風洞的設計和建造。他還創建了美國宇航局著名的噴氣推進實驗室(JPL)。
2
風洞實驗室
生活中的卡門是一個幽默健談的人。當中國科學家錢學森去美國留學時，卡門是他的導師，兩人感情非常深厚。
也正是因為卡門的調查，塔科馬海峽大橋事故的原因才被曝光。
馮·卡門
經過初步研究，委員會發現該橋存在設計中不可忽視的缺陷。
首先，塔科馬大橋的主跨長853.4米，但橋寬只有11.9米，這在同時期的懸索橋中非常罕見。不僅橋面太窄，而且只有2.4米高的鋼梁不能為橋身產生足夠的剛度。
硬度——物體抵抗變形的能力
其次，在最初的計劃中，風可以在桁架梁之間自由通過。然而，隨著普通鋼梁的替換，風只能通過橋梁的上下兩側。
此外，橋梁兩側的護壁均為實心鋼板，橫截面為「H」形結構，擋風效果更明顯。
然而，對於塔科馬大橋倒塌的確切理論原因，專家們沒有達成共識。一些工程師認為塔科馬大橋的振動類似於機翼的顫動。
以卡門為代表的另一組專家認為塔科馬大橋的橋身是H形的，不同於流線型的機翼。
在加州理工學院風洞進行模型試驗後，卡門推測這場災難源於一種叫做卡門渦街的現象。
這是自然界普遍存在的現象。
例如，如果將樁插入水流中，在一定條件下，樁下遊兩側將產生兩個不對稱布置的渦流。這兩排旋渦以相反的方向旋轉，像街道兩邊的路燈一樣交錯排列。
從Tai 空俯瞰智利海岸的卡門渦街
在這次事故中，橋兩邊的鋼板就像水流中的木樁。當風形成的高速渦流從橋身兩側不斷分離時，橋身上將產生交變的側向力。
卡門渦街是一種有規律的周期性現象，即渦街的形成和側向力的作用有一定的頻率。
塔科馬大橋本身有自己的頻率，當兩個頻率接近時就會產生共鳴。共振的後果現在是眾所周知的。
經過一些計算和實驗，卡門的分析得到了證實。
當地照相館的主人巴尼·埃利奧特用16毫米膠片記錄了這座橋的倒塌。
這份珍貴的視頻資料由美國國會圖書館選擇保存在美國國家電影登記處，並被命名為:
在文化、歷史和美學上都具有重要意義。
同時，它也成為建築工程專業學生最好的課堂教育電影之一。
現在，沉睡在塔科馬海峽海底的大橋殘骸已經成為世界上最大的人工珊瑚礁。大量太平洋巨型章魚選擇在這裡定居。
廢墟上方是兩座新的吊橋，負責連接塔科馬和吉崗之間的交通流量。他們將繼續完成第一座塔科馬海峽大橋的工程。
當然，我們不能過分責怪建造這座橋的工程師。
當時，人們對懸索橋的空氣動力學特性知之甚少，所以災難在當時基本上是不可預測的。
塔科馬海峽大橋的倒塌促使世界各地的科學家研究風致振動問題，並建立了各種新的學科，如橋梁風工程。
橋梁部分
現在，當我們建造大型橋梁時，我們可以通過改變結構的截面形狀或安裝空氣穩定器來改善截面周圍的氣流。還可以通過安裝阻尼器等來降低橋梁的振動，使橋梁更加安全耐用。
橋梁風致振動的研究使人類能夠不斷突破近幾十年來橋梁的跨度記錄。
塔科馬海峽大橋的倒塌成為了後代橋梁建設的基石。它引導幾代工程師通過經驗和教訓不斷前進。
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