[分享]塔科马大桥垮塌神级分析,震憾了N代桥梁设计师!

发表于2018-08-14     1833人浏览     2人跟帖     总热度:243  

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 

塔科马大桥为什么塌了?
是业界定性的“风洞效应”导致的?
这绝不是唯一原因
……
塔科马大桥的设计者不行吗?O NO!
按照初步计划,
联邦政府需要拨款1100万美元,
用于建造大桥。
莱昂·莫伊塞夫(Leon Moisseiff),
认为他有更好的办法。
莫伊塞夫是来自拉托维亚的犹太人移民
1895年毕业于哥伦比亚大学,
取得土木工程学位。
之后便加入纽约市桥梁部门,
并参与几乎所有大型悬索桥的设计中。
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▲莱昂·莫伊塞夫(右一)
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▲1909年通车的曼哈顿大桥
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▲1926年通车的本杰明·富兰克林大桥
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▲1937年通车的金门大桥
莫伊塞夫成为美国20世纪二三十年代悬索桥的领军人物
1933年,莫伊塞夫被授予本杰明·富兰克林奖
莫伊塞夫是全钢制桥的早期推行者
而他的“变形理论”广负盛名
根据这个理论
桥梁长度越大,允许的变形也越大
有了自己的理论体系做支撑
莫伊塞夫相信自己可以把悬索桥建得比以往更轻、更细、更长。
这个想法在他对塔科马海峡大桥的设计方案中得到了充分体现。
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▲塔科马海峡大桥施工图纸
莫伊塞夫打算采用2.4米的普通钢梁代替原计划中7.6米的桁架梁。
这不仅将建造成本大幅降低至640万美元,
还使得大桥更加的纤细优雅。
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▲钢箱梁(左)与桁架(右)对比

可是莫伊塞夫没有想到,
大桥吊装合拢完成后,
只要有4英里/小时的相对温和的小风吹来,
大桥主跨就会有轻微的上下起伏。
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1940年11月7日上午,
风儿似乎比以往更要喧嚣一些。
技术人员在7:30测得风速38英里/小时,
两小时后达到42英里/小时,
大桥出现的波浪形起伏竟达1米多。
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疯狂的扭动使得路面一侧翘起达8.5米,倾斜达到45度。
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最终,承受着大桥重量的吊索接连断裂,
失去了拉力的桥面就像一条发怒的蟒蛇在空中奋力挣扎。
建成通车仅四个月后,
120多米的大桥主体轰然坠入塔科马海峡,
激起了一大片烟尘。
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至此,莫伊塞夫职业生涯走到尽头……
著名的设计师也会犯“致命”错误
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此后,在冯·卡门等著名的技术专家的关注下
州长设立一个塔科马海峡吊桥倒塌事件考察小组,
冯·卡门系成员之一。

经过初步的研究,
调查小组发现大桥在设计上存在不可忽视缺陷。
首先塔科马大桥主跨长853.4米,
桥宽却只有可怜的11.9米,
这在同时期的悬索桥上是十分罕见的。
不仅桥面过于狭窄,
只有2.4米高的钢梁也无法使桥身产生足够的刚度。
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▲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,
风则只能从桥上下两面通过。
再加上大桥两边的墙裙采用了实心钢板,
横截面构成H形结构,对风的阻挡效果将更加明显。
经过风洞内的模型测试后,
卡门断定这场灾难源于一种现象——卡门涡街。
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力学工程师们借助有限元分析软件ANSYS
建立了大桥的有限元模型
生动形象地演示了大桥在卡门涡街条件下的状态

为了避免卡门涡街的危害
新桥已经将原来采用的箱型梁改回了桁架梁结构
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桥梁计算验算重要吗?
结构分析对设计师来说是不是至关重要?
如果莫伊塞夫当时拥有midas、桥博、桥梁通等软件……
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倾城月

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