塔科馬大橋垮塌神級分析,震憾了N代橋梁設計師!

2021-03-02 趙周橋

橋梁形式:懸索橋,主跨:2800英尺(853米,全長:5000英尺(1524米),通航淨空:195英尺(59.4米)

通車日期:1940年7月1日  

坍塌日期:1940年11月7日 

塔科馬大橋為什麼塌了?是業界定性的「風洞效應」導致的?這絕不是唯一原因……塔科馬大橋的設計者不行嗎?O NO!按照初步計劃,聯邦政府需要撥款1100萬美元,用於建造大橋。萊昂·莫伊塞夫(Leon Moisseiff),認為他有更好的辦法。莫伊塞夫是來自拉託維亞的猶太人移民,1895年畢業於哥倫比亞大學,取得土木工程學位。之後便加入紐約市橋梁部門,並參與幾乎所有大型懸索橋的設計中。

▲萊昂·莫伊塞夫(右一)

1909年通車的曼哈頓大橋

1926年通車的班傑明·富蘭克林大橋

1937年通車的金門大橋

莫伊塞夫成為美國20世紀二三十年代懸索橋的領軍人物。1933年,莫伊塞夫被授予班傑明·富蘭克林獎,莫伊塞夫是全鋼製橋的早期推行者。而他的「變形理論」廣負盛名,根據這個理論,橋梁長度越大,允許的變形也越大。有了自己的理論體系做支撐,莫伊塞夫相信自己可以把懸索橋建得比以往更輕、更細、更長。這個想法在他對塔科馬海峽大橋的設計方案中得到了充分體現。


塔科馬海峽大橋施工圖紙

莫伊塞夫打算採用2.4米的普通鋼梁代替原計劃中7.6米的桁架梁。這不僅將建造成本大幅降低至640萬美元,還使得大橋更加的纖細優雅。

鋼箱梁(左)與桁架(右)對比

可是莫伊塞夫沒有想到,大橋吊裝合攏完成後,只要有4英裡/小時的相對溫和的小風吹來,大橋主跨就會有輕微的上下起伏。


1940年11月7日上午,風兒似乎比以往更要喧囂一些。技術人員在7:30測得風速38英裡/小時,兩小時後達到42英裡/小時,大橋出現的波浪形起伏竟達1米多。

瘋狂的扭動使得路面一側翹起達8.5米,傾斜達到45度。


最終,承受著大橋重量的吊索接連斷裂,失去了拉力的橋面就像一條發怒的蟒蛇在空中奮力掙扎。建成通車僅四個月後,120多米的大橋主體轟然墜入塔科馬海峽,激起了一大片煙塵。

至此,莫伊塞夫職業生涯走到盡頭……著名的設計師也會犯「致命」錯誤。

此後,在馮·卡門等著名的技術專家的關注下,州長設立一個塔科馬海峽吊橋倒塌事件考察小組,馮·卡門系成員之一。經過初步的研究,調查小組發現大橋在設計上存在不可忽視缺陷。首先塔科馬大橋主跨長853.4米,橋寬卻只有可憐的11.9米,這在同時期的懸索橋上是十分罕見的。不僅橋面過於狹窄,只有2.4米高的鋼梁也無法使橋身產生足夠的剛度


剛度——物體抵抗變形的能力

其次在原計劃中,風可以從桁架梁之間自由穿過。但換成普通的鋼梁後,風則只能從橋上下兩面通過。再加上大橋兩邊的牆裙採用了實心鋼板,橫截面構成H形結構,對風的阻擋效果將更加明顯。經過風洞內的模型測試後,卡門斷定這場災難源於一種現象——卡門渦街

力學工程師們藉助有限元分析軟體ANSYS,建立了大橋的有限元模型,生動形象地演示了大橋在卡門渦街條件下的狀態。

為了避免卡門渦街的危害,新橋已經將原來採用的箱型梁改回了桁架梁結構

橋梁計算驗算重要嗎?結構分析對設計師來說是不是至關重要?如果莫伊塞夫當時擁有midas、橋博、橋梁通等軟體……

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