解密世界历史上重大安全事故——塔科马海峡大桥坍塌事故

杭州安监   2015-11-28  阅读 1   标签:世界历史


解密世界历史上重大安全事故(四)
美国塔科马海峡大桥坍塌事故


塔科马海峡大桥位于美国华盛顿州的塔科马海峡。第一座塔科马海峡大桥,绰号“舞动的格蒂”,于1940年7月1日通车,四个月后戏剧性地被微风摧毁,这一幕正好被一支摄影队拍摄了下来,该桥因此声名大噪。重建的大桥于1950年通车,被称为:“强壮的格蒂”。2007年,与其平行的新桥通车。是现今全美国第五长的双子悬索桥以及世界上主跨最大的双子桥。
塔科马海峡大桥小数据
桥梁形式:悬索桥
主跨:2800英尺(853米)
全长:5000英尺(1524米)
通航净空:195英尺(59.4米)
通车日期:1940年7月1日  
坍塌日期:1940年11月7日  

使用浅支撑梁的决定最终在不久的将来被证明是造成桥梁坍塌的重要原因。2.42米厚的支撑梁并不足以使路基拥有足够的刚度,从而使大桥经不住风的侵袭。从一开始,大桥的振动就使之声名狼藉。轻度至中度的风就可以导致大桥来回摇摆,中心的摆动可达每4到5秒就晃动几米。因此大桥被当地居民起绰号叫“舞动的格蒂”。司机在桥上行驶可以明显感觉到桥的摆动。
大桥的坍塌

大桥被风吹垮发生于美国太平洋时间1940年11月7日上午11时,原因是机械共振。
  里奥纳德·科茨沃斯(Leonard Coatsworth)在桥梁坍塌事故发生时成功地逃离,以下是他的报告:“当我刚驾车驶过塔桥时,大桥开始来回剧烈晃动。当我意识到时,大桥已经严重倾 斜,我失去了对车的控制。此时我马上刹车并弃车逃离。我耳边充斥着混凝土撕裂的声音。而汽车在路面上来回滑动。大部分的时候我靠手和膝盖爬行,我爬到 450米外的大桥塔楼我呼吸急促,膝盖都磨破流血了,双手上满是瘀伤。最后我使出最后的力气跳到了安全地带,在收费口回头望去,我看到大桥彻底被摧毁的一幕,我的车也随着大桥一起坠入了海峡。”
幸运的是在大桥坍塌事故中除了一条狗外,没有人失去生命。世界著名空气动力学家,古根海姆航空实验室主任西奥多·冯·卡曼(Theodore von Kármán)是事故调查组成员,他在报告中指出:华盛顿州没有为大桥筹集到足够的钱,因为代理商以欺诈手段贪污了部分款项。代理商哈雷特·法兰奇 (Hallett French)以盗窃罪被指控。

坍塌原因
   大桥由坚硬的碳钢和混凝土建成的。原先的设计是在路基下使用格状桁架梁。按照原先的设计,风只会直接通过桁架, 但新的设计将风转移到了桥面上下两端。大桥在1940年6月底建成后不久(通车于1940年7月1日),人们就发现大桥在微风的吹拂下会出现晃动甚至扭曲变形的情况。这种共振是横向的,沿着桥面的扭曲,桥面的一端上升,另一端下降。司机在桥上驾车时可以见到另一端的汽车随着桥面的扭动一会儿消失一会儿又出 现的奇观。因为这种现象的存在,当地人幽默地将大桥称为“舞动的格蒂”。然而,人们仍然认为桥梁的结构强度足以支撑大桥。
   大桥的倒塌发生在一个此前从未见过的扭曲形式发生后(当时的风速大约为每秒17米)。这就是力学上的扭转变形,中心不动,两边因有扭矩而扭曲,并不断振动。这种振动是由于空气弹性颤振引起的。颤振的出现使风对桥的影响越来越大,最终桥梁结构像麻花一样彻底扭曲了。在塔科马海峡大桥坍塌事件中,风能最终战胜了钢的挠曲变形,使钢梁发生断裂。拉起大桥的钢缆断裂后使桥面受到的支持力减小并加重了桥面的重量。随着越来越多的钢缆断裂,最终桥面承受不住重量而彻底倒塌了。
  塔科马海峡大桥的坍塌使得空气动力学和共振实验成为了建筑工程学的必修课。这里的共振和受迫共振(由周期运动引发的,如步伐整齐的一队士兵渡桥)不同。在该案例中没有周期性扰动。当时风速稳定,频率0.2赫兹。这样的风速本应对大桥够不成威胁。因此此次事件只能被理解为空气动力学和结构分析不严密所致,以后所有的桥梁,无论是整体还是局部,都必须通过严格的数学分析和风洞测试。