吊桥实例分析之塔克马桥的坍塌与重建

吊桥实例分析之塔克马桥的坍塌与重建【塔科玛桥风毁事故与卡门涡街】TacomaNarrowsBridge

一座雄伟的单跨桥，居然被一阵并不太大的风吹得像波浪一样起伏，还带有一些摇晃。更离奇的是，居然有段年代久远的录像详细地记录了1940年11月7日，当时享有世界单跨桥之王的塔科马大桥被风吹垮、坍塌的全部过程。

1940年11月7日，美国华盛顿州塔科马桥因风振致毁。该桥主跨长853.4m，全长1810.56m，桥宽11.9m，而梁高仅1.3m。通过两年时间的施工，于1940年7月1日建成通车。但由于当时人们对柔性结构在风作用下的动力响应的认识还不深入，该桥的加劲梁型式极不合理（板式钢梁），导致在中等风速(19m/s)下结构就发生破坏。幸好在桥梁破坏之前封闭了交通。据说，在出事当天，一位记者把车停在桥上，并把一条狗留在车内。桥倒塌时，只有他本人跑到了桥台处。

当地的报纸以简洁的标题对这场事故作了报道，“损失：一座桥、一辆汽车、一条狗”。

1940年，美国华盛顿州的塔科玛峡谷上花费640万美元，建造了一座主跨度853.4米的悬索桥。建成4个月后，于同年11月7日碰到了一场风速为19米/秒的风。虽风不算大，但桥却发生了剧烈的扭曲振动，且振幅越来越大（接近9米），直到桥面倾斜到45度左右，使吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而塌毁，坠落到峡谷之中。当时正好有一支好莱坞电影队在以该桥为外景拍摄影片，记录了桥梁从开始振动到最后毁坏的全过程，它后来成为美国联邦公路局调查事故原因的珍贵资料。

人们在调查这一事故收集历史资料时惊异地发现：从1818年到19世纪末，由风引起的桥梁振动己至少毁坏了11座悬索桥。塔科马海峡吊桥倒塌后第二天，华盛顿州州长宣布该座吊桥的设计牢靠，计划按同样设计重建。冯·卡门觉得此事不妥，便觅来一个塔科马海峡吊桥模型带回家中，放在书桌上，开动电扇吹风，模型开始振动起来，当振动频率达到模型的固有频时，发生共振，模型振动剧烈。果然不出所料，塔科马海峡吊桥倒塌事件的元凶，正是卡门涡街引起桥梁共振。其后冯·卡门令助手在加州理工学院风洞内，进一步测试塔科马海峡吊桥模型，取得数据，然后发一份电报给华盛顿州州长：“如果按旧设计重建一座新桥，那座新桥会一模一样的倒塌”。

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。经一番争论，冯·卡门终于说服当时不懂空气动力学知识的桥梁设计师，在建新桥之前，先将桥梁模型进行风洞测试。会议决定采用新的设计避免卡门涡街对桥梁引起的祸害。现有塔科马海峡吊桥

現有及加建中的橋樑

昵称：舞动的格蒂（GallopingGertie）

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

人们希望在这里建桥的愿望可以追溯到1889年为北太平洋铁路建造栈桥的提议，但20世纪20年代人们才达成一致意见，建造计划最终在1937年得以继续，华盛顿州立法机关制定了华盛顿州的桥梁税并拨款5000美元研究塔科马市和皮尔斯县对塔科马海峡建桥的需求。

从一开始，资金问题就是最大的问题，拨款并不足以支付建桥成本。但是大桥的建设却得到了美国军方的大力支持，大桥的建成将大大方便海军在布雷默顿的造船厂和陆军在塔科马的军事基地的交通。

华盛顿州的工程师克拉克·艾尔德里奇（ClarkEldridge）提出一个初步计划，桥梁必须通过严格的实验并使用常规设计，资金则由联邦政府公共工程管理处（PWA）拨款一千一百万美元。但是来自纽约的工程师莱昂·莫伊塞夫（LeonMoisseiff）上书联邦政府公共工程管理处，认为他可以花更少的钱建桥。

【曾经的塔科马海峡大桥】原先的建设规划25英尺深（7.6米）的钢梁增加刚度，莫伊塞夫——著名的金门大桥的受尊敬的设计师和顾问工程师，建议采用8英尺（2.4米）深的浅支持梁。他的方案使钢梁变窄，并且使大桥更优雅，更具观赏性，同时也降低到建造成本。最终莫伊塞夫的设计方案胜出。1938年6月23日，联邦政府公共工程管理处批准了600多万美元的拨款用来建造塔科马海峡大桥。另外160万美元将通过收税筹集，最终的建造成本为800万美元。

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。8英尺（2.42米）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秒几英尺。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，振动吸引许多人驱车前往，享受这奇妙的感觉。【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。

11月7日上午10点，风速增加到每小时64公里，大桥开始歪扭、翻腾，桥基被拖得歪来歪去，左右摆动达45度，最后，随着震耳欲聋的巨响，一头栽进了海峡。

11月7日凌晨7点，顺峡谷刮来的风带着人耳不能听到的振荡，激起了大桥本身的谐振。在持续3个小时的大波动中，整座大桥上下起伏达1米多。10点时振动变得更加强烈，幅度之大令人难以置信。数千吨重的钢铁大桥像一条缎带一样以8.5米的振幅左右来回起伏飘荡。桥面振动形成了高达数米的长长波浪，在沉重的结构上缓慢爬行，从侧面看就像是一条正在发怒的巨蟒。

11点10分，正在桥上观测的一位教授保证说：“大桥绝对安全。”可话音刚落，大桥就开始断裂。就在一瞬间，桥上承受着大桥重量的钢索猝然而断。大桥的主体从天而降，坠落进万丈深渊。桥上的各种构件像巨人手中的玩具一样飞旋而去。当时正在桥中央的一名记者赶忙钻出汽车，拼命抓住桥边的栏杆，用手和膝盖爬行着脱了险。整座大桥坍塌了，车里的小狗和汽车一起从桥上掉落，成为这次事故的牺牲者。

里奥纳德·科茨沃斯（LeonardCoatsworth）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500码（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没有人失去生命。1940年11月28日，美国海海军水文办办公室报告告说，大桥桥残骸位于于北纬47°16'，西经122°°33'，水深180英尺（55米）处。沉沉没的大桥桥残骸编号号92001068，被登记在在国家历史史地点记录录册中。水水下的残骸骸现在已经经作为一座座人工礁石石被保护起起来。大大桥最最终被摧毁毁的画面被被当地照相相馆的老板板巴尼·埃利奥特（（BarneyElliott）拍摄了下下来。1998年，塔科马马海峡大桥桥的坍塌视视频被美国国国会图书书馆选定保保存在美国国国家电影影登记处，，这段震撼撼人心的视视频被誉为为“在文化化、历史和和审美学方方面有着重重要意义””。这段珍珍贵的电影影胶片目前前仍然对学学习工程学学、建筑学学和物理学学的学生起起着警示的的作用。重建建后后塔塔克克马马大大桥桥公路路：：华华盛盛顿顿州州16号干干线线地地点点：：塔塔科科马马海海峡峡（（TacomaNarrows）连连接接：：塔塔科科马马（（Tacoma）至至吉吉格格港港（（GigHarbor）昵昵称称：：强强健健的的格格蒂蒂（（SturdyGertie）桥桥梁梁形形式式：：双双悬悬索索桥桥主主跨跨：：2800英尺尺（（853米））全全长长：：5979英尺尺（（1822米））通通航航净净空空：：187.5英尺尺（（57.15米））通通车车日日期期：：1950年10月14日（（西西行行））；；2007年7月15日（（东东行行））收收费费：：3美元元（（东东行行））塔塔科科马马海海峡峡大大桥桥位位于于美美国国华华盛盛顿顿州州的的塔塔科科马马海海峡峡。。第第一一座座塔塔科科马马海海峡峡大大桥桥，，绰绰号号舞舞动动的的格格蒂蒂，，于于1940年7月1日通通车车，，四四个个月月后后戏戏剧剧性性地地被被微微风风摧摧毁毁。。重重建建的的大大桥桥于于1950年通通车车，，2007年，，新新的的平平行行桥桥通通车车。。西行行桥桥现现在在的的西西行行桥桥以以开开放放的的桁桁架架和和加加固固的的支支柱柱设设计计并并重重建建，，并并且且开开设设通通风风孔孔让让风风通通过过。。它它于于1950年10月14日通通车车，，全全长长5979英尺尺（（1822米））———比原原先先的的桥桥长长40英尺尺（（12米））。。它它和和与与之之平平行行的的东东行行桥桥共共同同组组成成了了目目前前美美国国第第五五长长的的悬悬索索桥桥。。因因为为造造成成前前桥桥坍坍塌塌的的共共振振问问题题已已经经被被新新设设计计所所解解决决，，所所以以当当地地居居民民给给予予了了大大桥桥新新的的绰绰号号———““强健健的的格格蒂蒂””。。当当西西行行桥桥刚刚造造好好时时，，它它是是世世界界第第三三大大悬悬索索桥桥。。像像其其它它现现代代悬悬索索桥桥一一样样，，西西行行桥桥由由尖尖锐锐的的钢钢板板而而不不是是原原先先平平边边钢钢板板建建成成。。大大桥桥的的设设计计日日车车流流量量为为6万辆辆次次。。建建成成后后，，它它东东西西两两向向同同时时通通车车，，直直到到东东行行桥桥于于2007年7月15日正正式式通通车车。。东行行桥桥1998年，，华华盛盛顿顿州州几几个个县县的的选选民民通通过过了了一一项项议议案案，，决决定定建建造造一一座座新新的的大大桥桥。。2007新的的大大桥桥(新桥桥主主桥桥长长1646m、主主跨跨853m)将是是一一座座东东行行桥桥，，与与原原先先的的大大桥桥平平行行，，2002年10月4日开开工工，，2007年7月竣竣工工，，建建成成后后，，原原先先的的大大桥桥将将只只作作为为西西行行桥桥使使用用。。华华盛盛顿顿州州交交通通部部收收取取每每车车次次3美元元过过桥桥费费以以收收回回建建造造成成本本。。而而原原先先的的西西行行桥桥从从1965年起起就就免免收收过过桥桥费费，，未未来来也也将将如如此此。。新新的的大大桥桥也也第第一一次次安安装装了了新新型型““GoodToGo””电子子收收费费系系统统。。理解解塔塔科科马马大大