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2017年的年末，歷時8年的大工程港珠澳大橋終于要竣工了。 完成這個超級工程并不簡單，中國也因此再次鞏固了在橋梁建造領(lǐng)域的絕對領(lǐng)先地位。 不過，縱使我們擁有世界最頂尖的技術(shù)，也無法杜絕橋梁垮塌的事故。 有通車不久就被超載貨車壓垮的，有在建造時就垮塌的，還有被洪水沖垮的。
建造中的港珠澳大橋香港段 然而還有一種最為奇特的垮塌方式——被風(fēng)吹垮。 半個多世紀前美國的一座海峽大橋就以這樣的方式結(jié)束了生命。 令人匪夷所思的是吹垮大橋的風(fēng)不過區(qū)區(qū)8級而已。
通車4個月，被海邊常見的大風(fēng)輕易吹垮，這座大橋似乎會淪為笑柄。 然而，它的犧牲卻成為了橋梁史上的經(jīng)典，頻頻被收錄在各種工程教科書中。 ... 塔科馬海峽大橋，對很多人來說是個陌生的名字。 但它在風(fēng)中詭異扭動的畫面，卻廣為流傳。 如果事先沒有了解過，你一定不會相信自己的眼睛。
這座橋在當(dāng)時是美國第三大懸索橋，一度被稱為“工程界的珍珠港”。 設(shè)計師是業(yè)界精英，曾先后參與各著名大橋的建造。 建筑工人也兢兢業(yè)業(yè)，絕不存在偷工減料違規(guī)造假。
但這些都無法阻止，大橋建成開通僅4個月后，就在人們驚恐的注視中墜入海峽。 萬幸的是，作為20世紀最嚴重的工程設(shè)計錯誤之一，它坍塌時卻沒有造成任何人傷亡。 這是一個所有工程學(xué)科教學(xué)中都繞不開的經(jīng)典案例。
早在1889年，人們就提出了在塔科馬海峽上為北太平洋鐵路建造棧橋的建議。 由于大橋的建成將大大方便海軍在布雷默頓的造船廠和陸軍在塔科馬的軍事基地的交通，橋的建設(shè)也得到了美國軍方的大力支持。 然而涉及到資金問題，塔科馬海峽大橋的建造計劃直到1937年才步入正軌。
按照初步計劃，聯(lián)邦政府公共工程管理處（PWA）需要撥款1100萬美元，用于建造大橋。 但是來自紐約的工程師萊昂·莫伊塞夫（Leon Moisseiff），認為他有更好的辦法。
莫伊塞夫1985年畢業(yè)于哥倫比亞大學(xué)，僅三年后便加入紐約市橋梁部門，并參與到20世紀20至30年代幾乎所有大型懸索橋的設(shè)計中。 他曾發(fā)表一篇關(guān)于曼哈頓大橋建造的文章，這篇文章迅速為他贏得了國際聲譽，在工程界極負盛名。
建造中的曼哈頓大橋 莫伊塞夫相信自己可以把懸索橋建得比以往更輕、細、長。 這個想法在他對塔科馬海峽大橋的設(shè)計方案中得到了充分體現(xiàn)。
塔科馬海峽大橋施工圖紙 莫伊塞夫打算采用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(yōu)雅。 可是莫伊塞夫沒有想到，方案正式獲得通過，也意味著他的職業(yè)生涯即將走到盡頭。
桁（héng）架——由桿件連接成的空間結(jié)構(gòu) 原本大橋設(shè)計的抗風(fēng)能力達到120英里/小時。 但是在大橋吊裝合攏完成后，只要有4英里/小時的相對溫和的小風(fēng)吹來，大橋主跨就會有輕微的上下起伏。
大橋的纜索 然而起伏的現(xiàn)象沒有引起人們過多的擔(dān)心。 橋上施工的工人還發(fā)明了咀嚼檸檬這樣的辦法，來抵御上下顛簸帶來的眩暈感。 在他們看來，滿足設(shè)計要求的塔科馬大橋是安全且可靠的。
1940年7月1日，塔科馬海峽大橋如期建成通車。 在通車之前，大橋就已經(jīng)出現(xiàn)遇風(fēng)搖晃的情況，這吸引了不少民眾專門驅(qū)車來一探究竟。 而人們很快發(fā)現(xiàn)，大橋波動的幅度有點不同尋常。 甚至當(dāng)人在橋上駕車時，可以見到遠處的汽車隨著橋面的起伏，一會兒消失一會兒又出現(xiàn)。
工程師們也注意到了這個問題，一些專業(yè)人員被派遣到現(xiàn)場進行實地監(jiān)測。 其后幾個月中，橋面的波動幅度不斷增加。 大橋管理部門嘗試過用捆綁纜繩、安裝液壓緩沖器的方式去減低波動，減少其對行車的影響，但沒有取得成功。
1940年11月7日上午，風(fēng)兒似乎比以往更要喧囂一些。 技術(shù)人員在7：30測得風(fēng)速38英里/小時，兩小時后達到42英里/小時，大橋出現(xiàn)的波浪形起伏竟達1米多。
這時，記者里奧納德·科茨沃斯（Leonard Coatsworth）正駕車駛過塔科馬大橋。 車后座上是他的寵物狗，只有三條腿的黑色卡賓犬Tubby。 兩者都對接下來要發(fā)生的事渾然不知。
科茨沃斯——橋上最后一人 毫無預(yù)兆下，大橋路面的一側(cè)突然被風(fēng)掀了起來。 這引起了橋身側(cè)向激烈的扭動，和之前的起伏情況大不相同。 在橋面過于劇烈的波動下，科茨沃斯被迫將車停在距離東塔137米的地方。 而他停車的地方距離收費站有578米。
科茨沃斯跌跌撞撞地爬下汽車，大橋開始像麻花一樣來回扭動，他的耳邊充斥著混凝土撕裂的聲音。 瘋狂的扭動使得路面一側(cè)翹起達8.5米，傾斜達到45度。
大部分時候科茨沃斯只能靠著手和膝蓋爬行，可來回波蕩的路面讓逃生變得異常艱難。 當(dāng)他拼盡全力到達安全地帶后，回頭目睹了一生難忘的景象。 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(fā)怒的蟒蛇在空中奮力掙扎。 建成通車僅四個月后，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。
這次事件沒有造成人員傷亡。 盡管科茨沃斯與朋友多次嘗試營救，車里的卡賓犬仍然成為了事故唯一的犧牲者。
大橋坍塌后，美國組建了一個事故調(diào)查委員會。 其中成員就包括空氣動力學(xué)家馮·卡門（Theodore von Kármán）。 卡門是匈牙利猶太人，1930年移居美國后負責(zé)指導(dǎo)古根海姆氣動力實驗室和加州理工大學(xué)第一個風(fēng)洞的設(shè)計和建設(shè)。 NASA著名的噴氣推進實驗室（JPL）亦是由他創(chuàng)建。
風(fēng)洞實驗室 生活中的卡門是一個幽默健談的人。 在我國科學(xué)家錢學(xué)森赴美留學(xué)期間，卡門曾作為他的導(dǎo)師，兩人感情十分深厚。 也正是由于卡門的調(diào)查，才使得塔科馬海峽大橋事故的原因水落石出。
馮·卡門 經(jīng)過初步的研究，委員會發(fā)現(xiàn)大橋在設(shè)計上存在不可忽視缺陷。 首先塔科馬大橋主跨長853.4米，橋?qū)拝s只有可憐的11.9米，這在同時期的懸索橋上是十分罕見的。 不僅橋面過于狹窄，只有2.4米高的鋼梁也無法使橋身產(chǎn)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(fēng)可以從桁架梁之間自由穿過。 但換成普通的鋼梁后，風(fēng)則只能從橋上下兩面通過。 再加上大橋兩邊的墻裙采用了實心鋼板，橫截面構(gòu)成H形結(jié)構(gòu)，對風(fēng)的阻擋效果將更加明顯。
然而，對于塔科馬大橋坍塌的準確理論原因，專家們并沒有達成統(tǒng)一意見。 —部份工程師認為塔科瑪橋的振動類似于機翼的顫振。 以卡門為代表的另一派專家則認為，塔科瑪大橋的橋身是H型斷面，和流線型的機翼不同。 經(jīng)過加州理工學(xué)院風(fēng)洞內(nèi)的模型測試后，卡門猜測這場災(zāi)難源于一種現(xiàn)象——卡門渦街。
這是一個在自然界廣泛存在的現(xiàn)象。 比如在水流中插一根木樁，在特定條件下木樁下游的兩側(cè)，會產(chǎn)生兩道非對稱排列的旋渦。 這兩排旋渦旋轉(zhuǎn)方向相反，相互交錯排列，就像街道兩邊的街燈一樣。
從太空俯瞰智利海岸的卡門渦街 在這次事故中，橋兩邊的鋼板就像是水流中的木樁。當(dāng)風(fēng)形成的高速漩渦不斷從橋身兩邊脫離時，會對橋身產(chǎn)生一個交替的側(cè)向力。
卡門渦街是有規(guī)律的周期性現(xiàn)象，也就是說漩渦的形成和側(cè)向力的作用，是具有一定頻率的。 塔科馬大橋本身也有自己的頻率，當(dāng)兩個頻率接近的時候便會發(fā)生共振。 而發(fā)生共振的后果，現(xiàn)在大家都知道了。 經(jīng)過一番計算和實驗，卡門的分析果然得到了證實。
大橋坍塌的畫面被當(dāng)?shù)卣障囵^的老板巴尼·埃利奧特（Barney Elliott）用16mm膠片記錄了下來。 這段珍貴的視頻資料被美國國會圖書館選定保存在美國國家電影登記處，被譽為： '在文化、歷史和審美學(xué)方面有著重要意義'。 同時也成為建筑工程學(xué)學(xué)生最好的課堂教育片之一。
如今沉睡在塔科馬海峽底部的大橋殘骸，變成了世界上最大的人工珊瑚礁。 數(shù)量眾多的巨型太平洋章魚選擇在這里安家。 而在遺址上方是兩座新的懸索橋，負責(zé)連接塔科馬與吉格港兩地川流不息的車流。 它們將繼續(xù)完成第一座塔科馬海峽大橋的工作。
當(dāng)然我們也不能過多地指責(zé)建造大橋的工程師們。 那個年代的人們對懸索橋的空氣動力學(xué)特性知之甚少，因此這場災(zāi)難在當(dāng)時來說基本上是無法預(yù)測的。 而正是塔科馬海峽大橋的坍塌引發(fā)了全世界科學(xué)家對風(fēng)振問題的研究，促成橋梁風(fēng)工程等各種新學(xué)科的建立。
橋梁斷面 如今我們建造大型橋梁時，可以通過修改結(jié)構(gòu)斷面形狀或安裝空氣穩(wěn)定裝置，來改善繞過斷面的氣流。 也可以通過安裝阻尼器等方式減小橋梁的振動，使橋梁更加地安全耐用。 對橋梁風(fēng)振問題的研究，使人類近幾十年來得以不斷突破橋梁的跨度記錄。
塔科馬海峽大橋的倒塌，成為了后世橋梁建造的基石。 指引著一代代工程師在經(jīng)驗教訓(xùn)中不斷前行。 作者系網(wǎng)易新聞·網(wǎng)易號“各有態(tài)度”簽約作者 來源：SME |
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