早在1889年,人们就提出了在塔科马海峡(位于美国华盛顿州塔科马市)上为北太平洋铁路建造栈桥的建议,并得到了美国军方的大力支持。然而由于资金问题,塔科马海峡大桥的建造计划直到1937年才步入正轨。
按照初步计划,联邦政府公共工程管理处需要拨款1100万美元用于建造大桥。但是来自纽约的极负盛名的工程师莱昂·莫伊塞夫说,可以用2~4米的普通钢梁替换原计划中6米的桁架梁,这样不仅可以把成本降至6400万美元,还可以使大桥更加纤细优雅。
原本大桥设计的抗风能力能达到193千米/小时(12级以上的大风),但是大桥吊装合龙完成后,只要有小风吹来,大桥主跨就会有轻微的起伏。不过,这并没有引起人们过多的担心。在他们看来,满足设计要求的塔科马大桥是安全且可靠的。
1940年7月1日,塔科马海峡大桥如期建成通车。它是当时美国第三大悬索桥,被称为“工程界的珍珠港”。但人们很快发现,大桥遇风就会摇晃,而且波动的幅度不同寻常。于是一些专业人员被派到现场进行实地监测。
其后几个月中,桥面的波动幅度不断加大。大桥管理部门尝试过用捆绑缆绳、安装液压缓冲器的方式去减低波动,但都没有效果。
一次,记者里奥纳德·科茨沃斯正驾车驶过塔科马大桥,忽然,大桥路面的一侧被风掀了起来,引起桥身剧烈扭动,科茨沃斯赶紧将车停在距离东塔137米的地方。他跌跌撞撞地爬下汽车,大桥开始像麻花一样来回扭动,他的耳边充斥着混凝土撕裂的声音。疯狂的扭动使得路面一侧翘起达8.5米,倾斜达到45度,汽车在路面上来回滑动。而这时科茨沃斯只能靠着手和膝盖爬行逃生。
当他拼尽全力到达安全地带后,回头目睹了一生难忘的景象。承受着大桥重量的吊索接连断裂。他的车随着一百二十多米的大桥主体轰然坠入塔科马海峡,激起了一大片烟尘。此时离大桥建成通车仅四个月。
值得庆幸的是,作为20世纪最严重的工程设计错误之一,塔科马海峡大桥坍塌没有造成人员伤亡,但科茨沃斯车里的宠物狗不幸成了事故中唯一的牺牲者。
大桥坍塌后,美国组建了一个事故调查委员会,其成员就包括空气动力学家冯·卡门。经过初步研究,委员会发现大桥在设计上存在不可忽视的缺陷。不仅桥面过于狭窄,钢梁也无法使桥身产生足够的刚度(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,风只能从桥上下两面通过……
经过模型测试后,卡门证明这场灾难源于一种现象—卡门涡街。比如在水流中插一根木桩,木桩下游的两侧往往会产生两排漩涡,像路两边的街灯一样排列着。在这次事故中,桥两边的钢板就像是水流中的木桩。当风形成的高速漩涡与塔科马大桥发生共振,大桥便会随风舞动甚至坍塌。
大桥坍塌的画面被当地照相馆的老板用胶片记录了下来,保存在美国国家电影登记处,同时也成为建筑工程学学生最好的课堂教育片之一。
虽然以莫伊塞夫为首的大桥设计师们的职业生涯因此走到了尽头,但也不能过多地指责他们,那个年代的人们对悬索桥的空气动力学特性知之甚少,因此这场灾难在当时来说基本上是无法预测的。而正是塔科马海峡大桥的坍塌引发了全世界科学家对风振问题的研究,促成了桥梁风工程等各种新学科的建立。塔科马海峡大桥的倒塌,成为后世桥梁建造的基石,指引着一代代工程师在经验教训中不断前行。
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