塔科馬大橋坍塌原因分析(共7頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上塔科馬大橋坍塌原因分析摘要：塔科馬海峽橋（Tacoma Narrows Bridge）位于美國華盛頓州，舊橋于1940年建成，同年11月，在19m/s的低風(fēng)速下顫振而破壞，震動了世界橋梁界，從而引發(fā)了科學(xué)家們對橋梁風(fēng)致振動問題的研究，形成了橋梁風(fēng)工程的新學(xué)科，并將風(fēng)振動研究不斷提高到新的科學(xué)水平。關(guān)鍵詞：共振、風(fēng)振動、扭振正文：大橋坍塌理論價值當(dāng)時，人們對這種狹長的橋梁設(shè)計找不出可以指責(zé)的地方，認(rèn)為橋梁具有一定的承載能力就足以安全了，其實不然。因為那時人們對于懸索橋的空氣動力學(xué)特性知之甚少，這場災(zāi)難在當(dāng)時說來是屬于不可預(yù)測的，或稱不可抗拒的。但是，塔科馬海峽大橋的坍塌

2、事故還是引起了工程技術(shù)人員的關(guān)注，它的經(jīng)驗與教訓(xùn)對以后的大橋設(shè)計產(chǎn)生了很大的影響，從此開始了現(xiàn)代橋梁的風(fēng)洞研究與試驗。在今天看來，塔科馬海峽大橋坍塌那天，海上的風(fēng)并不是很大，事故的真正原因就是梁體剛度不足，在風(fēng)振的作用下橋梁屈曲失穩(wěn)。橋梁在風(fēng)的作用下產(chǎn)生了上下振動，振幅不斷增大并伴隨著梁體的扭曲，吊索拉斷，加大了吊索間的跨度，使梁體支撐不均，直至使梁體破壞。風(fēng)是怎樣作用在橋上的呢？為什么相當(dāng)均勻的風(fēng)，會使橋產(chǎn)生脈沖式的振動，然后變?yōu)榕まD(zhuǎn)振動呢？研究的結(jié)果表明，是橋上豎直方向的橋面板引起了橋的振動，它對風(fēng)的阻力很大，風(fēng)被擋之后，大量的氣流便從橋面板的上方經(jīng)過然后壓向橋面。由于吹過的氣流因不斷地被

3、屈折而使速度增加，所以在橋面板的上方和下方壓力降低。如果風(fēng)總是從橋梁橫向的正前方吹來，那倒不要緊，因為上下方的壓力降低會互相抵消。但是，如果風(fēng)的方向不停地變換的話，壓力就會不斷地變化。這一壓力差作用在整個橋面上，并因擋風(fēng)的豎直結(jié)構(gòu)板后所產(chǎn)生的渦流而得到加強，結(jié)果橋就開始形成波浪式振動，過大的振動又拉斷了橋梁結(jié)構(gòu)，最終使橋梁坍塌。幽默的美國人后來在談起塔科馬海峽大橋時詼諧的稱之為舞動的格蒂（Galloping Gertie）。從20世紀(jì)40年代后期開始，圍繞塔科馬海峽大橋風(fēng)毀事故的原因后人進(jìn)行了大量的分析與試驗研究。當(dāng)時有兩種觀點。一種觀點認(rèn)為塔科馬橋的振動與機翼的顫振類同，是一種風(fēng)致扭轉(zhuǎn)發(fā)散振

4、動；另一種觀點認(rèn)為塔科馬橋的主梁是H型斷面，存在明顯的渦流脫落，因此是一種渦激共振。二種觀點互相爭論，直到1969年，斯坎倫（R.Scanlan）提出了鈍體斷面的分離流顫振理論，成功地解釋了塔科馬橋的風(fēng)毀機理，并由此奠定了橋梁顫振分析的理論基礎(chǔ)。坍塌原因分析（1）坍塌經(jīng)過大橋通車之前，就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)遇風(fēng)搖晃的現(xiàn)象，因此通車后一直有專業(yè)人員進(jìn)行監(jiān)測。1940年11月7日上午，7:30測量到風(fēng)速38英里/小時（約61公里/小時），到了9:30風(fēng)速達(dá)到42英里/小時 （約68公里/小時）。引起大橋波浪形的有節(jié)奏的起伏，有人目睹為9個起伏。10:03突然大橋主跨的半跨路面一側(cè)被掀起來，引起側(cè)向激烈的扭動，

5、另半跨隨后也跟著扭動（注意：這時候大橋運動發(fā)生實質(zhì)性的變化）。10:07扭動大到半跨路面的一側(cè)翹起達(dá)28英尺（約8.5米），傾斜45°。10:30大橋西邊半跨大塊混凝土開始墜落，11:02大橋東邊半跨橋面下墜，11:08大橋最后一部分掉進(jìn)大海。上圖就是塔科馬大橋墜毀當(dāng)時的慘象。這幅照片是大橋主跨第一片混凝土墜落后幾分鐘拍攝的，可以從圖中看到600英尺（約123米）長的大橋片段正在往下掉。圖的左上方還可以看到一輛束手無策的小汽車。（2）大橋扭振的物理描述a) 大橋結(jié)構(gòu) 塔科馬大橋結(jié)構(gòu)圖塔科馬大橋全長5939英尺（約1810.56米），主跨度，機大橋兩個支撐橋塔之間的長度2800英尺（約

6、853.4米），橋?qū)?9英尺（約11.9米），橋邊墻裙深8英尺（約2.4米）。其基本結(jié)構(gòu)見下圖。塔科馬大橋的結(jié)構(gòu)中很重要的特點是加勁梁沒有采用桁架結(jié)構(gòu)，而是采用鋼板梁，大橋重量得以減輕許多。橋邊墻裙采用實心鋼板。兩邊墻裙與橋面構(gòu)成H形結(jié)構(gòu)。大橋邊緣的鈍形結(jié)構(gòu)，成了擋風(fēng)的墻，為在一定條件下形成馮·卡爾曼渦脫準(zhǔn)備了空間物理條件。再一個特點就是塔科馬大橋跨寬比為1:72，與同類大橋相比大橋，例如1935年建成的喬治華盛頓大橋跨寬比為1:33，1937年建成的金門大橋為1:47，1939年建成的布朗克斯白石大橋為1:31?？梢娝岂R大橋的橋面過于狹窄。這點幾乎就是塔科馬大橋的命門。b) 大橋

7、的扭振模式 塔科馬大橋在38英里/小時風(fēng)速的振動模式1940年11月7日，上午7：00，觀察到一陣風(fēng)速為38英里/小時（約17.2 m/s）的風(fēng)，這陣風(fēng)不算很大，卻激發(fā)起大橋橫向振動模式，近似于正弦波形，振幅1.5英尺（約0.45m），持續(xù)了3個多小時。這時，振動是有節(jié)奏的，也是平穩(wěn)的。根據(jù)觀察分析，當(dāng)時大橋主跨以36次/分的振動頻率振動，即0.6Hz，橋面橫向扭曲成9段。見上圖。這時的實際場景是大橋一邊的人可以看到大橋另一邊的起伏景象，這種起伏呈周期性，具有正弦型特征。見下圖。 這是9：00以前大橋呈正弦型波動的場景，可以看到橋面上汽車正在“波動”下去9:30時，風(fēng)速增大到約42英里/小時（

8、約19 m/s），中部懸掛纜激烈晃動，形成載荷失衡，大橋發(fā)生頻率為14次/分，即0.2 Hz扭振模式。大橋像麻花一樣扭振，將大橋的主跨分成兩半跨，一半跨按逆時針扭，另一半跨按順時針扭。 塔科馬大橋在42英里/小時風(fēng)速的扭振模式由于大橋路面的彈性應(yīng)力，兩個半跨扭到一定程度，就反彈回來，原來按逆時針扭的半跨向順時針扭，原來按順時針扭的另半跨向逆時針扭。這樣往復(fù)交替進(jìn)行。主跨兩半中間有一條線，就是“節(jié)線”，沿著這條節(jié)線沒有任何扭轉(zhuǎn)發(fā)生。隨著持續(xù)的風(fēng)吹，跨邊上下翹起的最大幅度越來越大，以指數(shù)狀增大，僅十幾分鐘，振幅就達(dá)到28英尺（8.5米）。大幅度扭振最終導(dǎo)致大橋在震耳欲聾怒吼聲中坍塌。見上圖。這時的

9、實際場景是大橋左邊比大橋右邊高出許多，橋面呈周期性麻花型扭曲，具有扭振型特征，橋面上的汽車正被甩來甩去。見下圖。 這是9：30以后大橋呈扭振彎曲的場景，可以看到橋面上主跨左邊比右邊高出許多，橋面呈麻花型c) 扭振模式的計算機模擬華中科技大學(xué)李元杰教授利用物理過程模擬寫作平臺模擬出動態(tài)扭振模式，將頻率、波數(shù)等參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)后，得到振幅較小的扭振模式圖（見下圖1）和振幅較大的扭振模式圖（見下圖2）。圖1 振幅較小的扭振模式模擬圖9 振幅較小的扭振模式模擬圖2 振幅較大的扭振模式模擬d)大橋給人們留下的啟示1、設(shè)計埋下隱患塔科馬大橋最初設(shè)計計劃將25英尺深（約7.6米）的鋼梁打入路面下方，使大橋路

10、面硬化。這時，著名的金門大橋設(shè)計總顧問莫伊塞夫（Leon Moisseiff），提出為使大橋更優(yōu)雅，更具觀賞性，建議采用8英尺（約2.4米）深的淺支撐梁，大橋最終采用了莫伊塞夫的設(shè)計方案。這個方案使用的鋼梁變窄，但是路基剛度大為下降，從而埋下了致命的隱患。2、嚼檸檬和坐過山車盡管大橋設(shè)計抗風(fēng)能力達(dá)到120英里/小時，但是大橋合攏后，只要有4英里/小時的相對溫和的小風(fēng)吹來，大橋主跨就會有輕微的上下起伏（4到5英尺），以至于正在施工的工人需要咀嚼檸檬來防止大橋波動帶來的眩暈。這種波動是橫向共振現(xiàn)象，沿著橋長方向扭曲，橋面的一端上升，另一端下降。在橋上駕車的司機，可以看到橋的另一端上的汽車隨著橋面的

11、跳動，一會兒消失一會兒又浮現(xiàn)出來的奇觀。當(dāng)?shù)鼐用駪蚍Q塔科馬大橋為“飛馳蓋地”（蓋地是美國最早動畫片中主角恐龍的名字，意味著大橋像一頭跳舞的恐龍）。因此大橋通車后，這種現(xiàn)象竟成一道風(fēng)景線，吸引遠(yuǎn)道而來的人們前往觀賞，甚至感覺到坐過山車味道。3、來不及的補救措施但是，這種跳動卻給大多數(shù)開車司機帶來不舒服的感覺。因此，大橋管理部門也采取過捆綁纜繩，安裝液壓緩沖器等措施，通通無濟(jì)于事。而且，設(shè)計師們認(rèn)為這種波動不會引起嚴(yán)重后果，并誤信結(jié)構(gòu)上是安全的。根本沒有想到過大橋的縱向振動問題，即大橋兩邊的扭動。華盛頓大學(xué)的法庫哈遜教授察看塔科馬大橋?qū)嶒炇夷Ｐ腿A盛頓大學(xué)的法庫哈遜（Farquharson）應(yīng)邀在當(dāng)

12、年9月到11月初相繼用風(fēng)洞對8英尺長和54英尺長的大橋模型進(jìn)行實驗測試，研究大橋扭振原因和補救辦法。法庫哈遜從實驗中嗅出大橋扭振的潛在破壞性，提出臨時捆綁纜繩到邊跨，以減少跳動。后來又提出在大橋邊墻裙上挖洞，并在墻裙外安裝一些傾斜的擋板，意圖改變風(fēng)對大橋的嚴(yán)重影響。大橋管理部門草擬方案準(zhǔn)備采取補救施工，但是還來不及補救，大橋就坍塌了。4、物理啟示根據(jù)目測者描述，和模型實驗分析，大橋振動大體經(jīng)歷兩種振動模式，一種是一般的橫向受迫振動，基本上是正弦型波動。另一種是縱向扭振，振幅在短時間內(nèi)迅速增大，后來有人研究稱振幅按指數(shù)增大，振幅大到超過大橋的扭曲剛度，引起坍塌。所以，后來新建懸索大橋時，必須經(jīng)過風(fēng)