以下為1940年塔科馬大橋倒塌原因分析:
塔科馬海峽大橋小數據
橋樑形式: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。莫伊塞夫是來自拉托維亞的猶太人移民,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樑部門,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年通車的本傑明·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,莫伊塞夫被授予本傑明·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
橋樑長度越大,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米的普通鋼樑代替原計劃中7.6米的桁架樑。
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英里/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英里/小時,
兩小時後達到42英里/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米高的鋼樑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,
風可以從桁架樑之間自由穿過。
但換成普通的鋼樑後,
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件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樑結構。