工程师们从这场灾难中学到了什么

桥梁

它是土木工程师中的最高学科。 有句谚语说：“为不想到达彼岸的人搭桥，是没有用的”。 我们有时可以将这个短语应用于土木工程。 仍然有很多人对桥梁持怀疑态度，无论是高度还是不确定性。

过去的事件表明，这些担忧并非总是没有根据的。 在这篇博文中，我们将介绍每个土木工程师都听说过的桥梁。 在最初的几个学期中，讲师将通过这个例子来说明动力学的重要性。 对于塔科马海峡大桥，即使是外行也能看出问题所在。

神秘桥的故事

帕吉特海湾位于美国华盛顿州西北部。 陆上路线很长。 出于这个原因，在 1940 年规划了一座桥梁，这将缩短行程。 塔科马 (Tacoma) 镇尤其适合于此。

对于这样的一座天桥，跨度起着至关重要的作用。 这是两个桥墩之间的距离。 工程师们想通过安装两根柱子来缩短这个跨度。 尽管如此，它仍将是当时最大的悬索桥之一。 只有旧金山的金门大桥和纽约的乔治华盛顿大桥更长。

01 旧金山金门大桥

02 乔治华盛顿大桥在纽约

俄罗斯工程师 Leon S. Moisseiff 受委托完成该项目。 在美国，他是一位享有盛誉的结构工程师。

他的项目之一是纽约市最大的钢拱桥 - 巴约讷大桥。

03 纽约巴约纳大桥

工程师们只预计塔科马海峡大桥的交通流量会很小。 因此，设计了两条车道和两条人行道。

桥梁类型选择了一座经典悬索桥。 它是桥梁中的女王，因为它可以实现非常大的跨度。 该结构由五个元素组成。

04 悬索桥方案

桥墩又称桥塔，是锚固索的突出结构构件。 它们承受上部结构的重量。 绳索将力传递到塔架和锚块上。 吊杆与支撑索连接，并传递桥面荷载产生的拉力。 上部结构或桥面梁用于加固桥梁。 索端固定在桥台中，因此可以吸收拉力。

1938 年，甚至在施工开始之前，就首次提出了对该尺寸的批评。 上部结构的宽度几乎是 40 英尺。 车行道梁为实心钢结构墙梁，高度约为 2.5 米。 通常有效的规范规定，当梁的宽度和高度与结构长度之间达到一定的比率时，就可以达到足够的刚度。 然而，问题是它经常导致经济上效率低下的结果。 因此，一些土木工程师对这种方法提出了质疑。 Leon Mosseiff 就是其中之一。

与当时的所有其他悬索桥一样，这座悬索桥是按照古典风格建造的。 在水中的塔架基础是一个挑战。 基础必须通过沉箱在水面以下 54 米和 68 米处建造。 在当时，它们是世界上最深的沉箱。

05 沉箱

预制梁部分安装在垂直吊架上。 工程师们注意到，当刮风时，结构并没有按照他们的预测运行。 为此，施工人员必须在洞口之前进行初步的整治措施，并对梁的变形进行阻尼处理。 尽管存在这些问题，该桥仍将于01完工。 1940 年 7 月开业。

这座桥的异常行为已经无法再向公众隐藏了。 它不仅横向移动，而且纵向的甲板也有强烈的波浪状运动。 社会亲切地称这种现象为“格蒂驰骋”。

许多人因此避开了这座桥，继续沿着更长的路线穿越大陆。 尽管如此，风还是把这座桥变成了一个旅游景点。 人们从四面八方赶来“过山车”。

作为解决方案的第一步，安装斜拉索来缓解这种情况。 现在无法理解为什么这座桥没有立即关闭。

开幕四个月后，悲剧发生了。 在轴上 1940 年 11 月有一场暴风雨，风速高达 65 公里/小时。 与通常情况不同的是，在该风力之上还存在另一个荷载 - 扭转。 会出现强烈的水平旋转和钻孔。

06 扭转

振幅增加到每分钟振动 12 次。 此外，还有一个初始摇摆几乎为 45 度的横向倾斜。

这会导致垂直吊架撕裂。 梁的大部分截面倒塌。 幸运的是，没有人受到伤害。

这场灾难之后发生了什么？

塔科马海峡大桥的倒塌是悲惨的，人们可能永远不会忘记。 但是，对于技术科学和后来的桥梁项目，它同样具有指导意义。 1950 年 10 月，第二座塔科马海峡大桥在同一地点建成通车，至今仍在使用中。 然而，在它正式投入使用之前进行了一些重要的改动。 第三座桥梁是后来添加的。

07 塔科马海峡大桥

怎么会发生这样的致命事件？

在这场悲剧发生后，有经验的工程师进行了调查，得出了有见地的结果。 悬索桥是最合适的，也是最经济的桥梁。 没有比这更好的位置了。 工程师们在良好的规划和执行方面投入了大量资金。 使用的材料质量非常高。 综上所述，本次维修是根据当时最先进的工程技术知识进行的。

但事故是由风的作用引起的异常振动造成的。 众所周知，对于这种类型的桥梁，沿桥梁可能会出现横波。 桥已经被微风激起振动。 风荷载使桥梁产生越来越大的振动。 它受到风的动力加载，使其恰好达到共振频率。 此外，还存在过大的竖向和扭转振动。 由于其设计原因，该桥无法补偿这些影响。

动力不能被充分吸收。 因此，振幅过高。 在细长尺寸方面，塔科马海峡大桥也受到了梁的不利几何形状的影响。 薄的桥面梁与防风的侧壁相结合，形成了一个横截面。 这特别容易受到颤振的影响。 因此，它会倒塌。 那时，人们对空气动力的影响知之甚少。

对于第二座和第三座塔科马海峡大桥，工程师们不仅要进行桥梁的结构分析，还要进行动力分析。 桥面梁加宽到 60 米。 高度甚至增加了两倍。 因此，它的结构更加坚固。 桥面梁现在也由开放式桁架结构组成。 因此，风只受到很小的攻击范围。

这是一场非同寻常的灾难。 尽管如此，它对于科学和后来的桥梁项目具有指导意义。 这些模型现在正在风洞中进行测试。 这意味着不仅要考虑结构分析，还要考虑动力分析。 这也导致偶尔为其他现有桥梁安装额外的加劲肋。

动力振动可能由风、地震、移动的人员、车辆和机器的不平衡引起。 不仅会影响结构的强度，还会影响正常使用率。

之前在风洞中使用模型对风进行了模拟。 如今，这变得更快、更容易、更高效。 德儒巴软件还使用 RWIND Simulation 创建了数字风洞。

建筑物表面的收到的风荷载来自于其周围的空气流动， 围绕它们的流动会在面上产生特定的荷载。 为了生成建筑物或其他物体上的风荷载，需要对风流进行数值模拟。 导入 3D 对象，添加环境对象，并考虑拓扑结构。 然后，应用与高度相关的风剖面和风向。 计算结果包括体面上的压力、速度场和流线等。

由于这种逐步的发展以及在过去几年中获得的许多见识，未来可能不会再发生类似的悲惨事件。