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塔科马海峡大桥

/Tacoma Narrows Bridge/
条目作者陈朝晖

陈朝晖

最后更新 2024-12-03
浏览 265
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位于美国华盛顿州的一座公路悬索桥。

英文名称
Tacoma Narrows Bridge
所属学科
力学

第一座塔科马大桥横跨塔科马海峡和吉塞普半岛之间的普吉海峡。全长1810.2米,主跨853.4米,宽11.9米,主梁高2.5米,修长优美,建成当年为世界跨度第三的悬索桥。大桥由主持美国旧金山金门大桥设计工作的美国著名桥梁工程师L.莫伊塞夫于1938年设计,1938年9月23日动工,1940年7月1日通车。同年11月7日上午,风速为64千米/时(远小于设计风速),大桥开始竖向起伏振动,而后迅速转变为整体的不对称扭转振动,最终垮塌,掉入海峡,所幸无人伤亡。事实上,大桥通车后,桥面在微风下就会发生起伏摆动,被称为“舞动的格蒂”。第一座塔科马大桥的垮塌是桥梁工程史上具有里程碑意义的失败事件,促成了对悬索桥气动弹性力学的研究与大跨桥梁抗风设计理论的发展。对垮塌原因的研究持续至今,其中包括T.von卡门、O.阿曼等著名流体力学专家和桥梁工程师。随着研究的不断深入,人们认识到决定大跨桥梁气动性能的因素主要为主梁的抗扭刚度及其气动外形,而塔科马大桥恰恰在这两方面都是“坏”的典型。塔科马海峡大桥采用了板式加劲梁,而非当时悬索桥的主流形式——桁梁,虽降低了桥的自重、造价和施工难度,但板梁与大桥的实心墙裙构成的H型截面,诱导来流形成卡门涡街,使桥面扭转,发生涡激振动。扭转的桥面又造成了更为致命的危害,桥面扭转颤振。颤振是一种自激振动,气流通过H型桥面时,在其上、下表面形成涡旋,扭转的桥面会控制涡旋的位置和变化规律,其使与桥梁扭转同拍,此时桥梁不再需要外界作用,自身的扭转振动为自己提供了激励。而相对于主跨长度,宽长比为1/72、高长比为1/350的桥面板过窄、过薄,H型截面又是抗扭刚度天然薄弱的开口薄壁构件。大桥在涡激振动和扭转颤振的作用下,振幅越来越大,振动越来越强烈,终至垮塌。尽管莫伊塞夫的设计突破了当时的很多工程极限,但却完全符合当时的桥梁设计理论,只是桥梁工程师们那时完全没有认识到桥梁的风致振动。1950年,塔科马大桥在原址重建,桥梁改为加劲桁架,梁高10米,主跨1822.4米,比原桥增加了12.2米,被称为“强壮的格蒂”。2007年增建了复线桥。

第一座塔科马大桥发生风致振动第一座塔科马大桥发生风致振动

  • BILLAH K Y,SCANLAN R H.Resonance, Tacoma Narrows bridge failure and undergraduate physics textbooks”.Am. J. Phys,1991,592:118–124.
  • SCANLAN R H.Developments in low-speed aeroelasticity in the civil engineering field.AIAA Journal,1982,20:839-844.

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