桥梁工程作业-塔克玛大桥

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1、1.风荷载如何作用塔克玛大桥？研究的结果表明，是桥上竖直方向的桥面板引起了桥的振动，它对风的阻力很大，风被挡之后，大量的气流便从桥面板的上方经过然后压向桥面。由于吹过的气流因不断地被屈折而使速度增加，所以在桥面板的上方和下方压力降低。如果风总是从桥梁横向的正前方吹来，那倒不要紧，因为上下方的压力降低会互相抵消。但是，如果风的方向不停地变换的话，压力就会不断地变化。这一压力差作用在整个桥面上，并因挡风的竖直结构板后所产生的涡流而得到加强，结果桥就开始形成波浪式振动，过大的振动又拉断了桥梁结构，最终使桥梁坍塌。和常识相悖，甚至和你在过去的书

2、中看到的不同，大桥并不是因为风和桥发生的共振所倒塌的。事实上这是因为气体发生了弹性震颤，简单来说就是风使物体发生形变，这个形变会引发更大的形变，而这足以冲破物体的刚性临界点，毁坏物体。如果风持续不断，建筑物遭受的影响将逐渐升级，直至坍塌。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小时40英里。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

3、，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。2.塔克玛大桥在抗风性能方面有哪些设计缺陷？塔科马大桥的结构中很重要的特点是加劲梁没有采用桁架结构，而是采用钢板梁，大桥重量得以减轻许多。桥边墙裙采用实心钢板。两边墙裙与桥面构成H形结构。大桥边缘的钝形结构，成了挡风的墙，为在一定条件下形成冯•卡尔曼涡脱准备了空间物理条件。再一个特点就是塔科马大桥跨宽比为1:72，与同类大桥相比大桥，例如1935年建成的乔治华盛顿大桥跨宽比为1:33，1937年建成的

4、金门大桥为1:47，1939年建成的布朗克斯白石大桥为1:31。可见塔科马大桥的桥面过于狭窄。这点几乎就是塔科马大桥的命门。(三)桥身结构缺陷1)著名的金门大桥设计总顾问莫伊塞夫为使大桥更优雅，更具观赏性，建议采用8英尺（约2.4米）深的浅支撑梁，大桥最终采用了莫伊塞夫的设计方案。此方案使用的钢梁变窄，但是路基刚度大为下降，从而埋下了致命的隐患。2)由于横向共振现象，相对温和的小风吹来，大桥主跨就会有轻微的上下起伏，沿着桥长方向扭曲，桥面的一端上升，另一端下降。在桥上驾车的司机，可以看到桥的另一端上的汽车随着桥面的跳动，但是设计师们认为

5、这种波动不会引起严重后果，并误信结构上是安全的。根本没有想到过大桥的纵向振动问题，即大桥两边的扭动。3)华盛顿大学的法库哈逊应邀在当年9月到11月初相继用风洞对8英尺长和54英尺长的大桥模型进行实验测试，研究大桥扭振原因和补救办法。法库哈逊从实验中嗅出大桥扭振的潜在破坏性，提出临时捆绑缆绳到边跨，以减少跳动。后来又提出在大桥边墙裙上挖洞，并在墙裙外安装一些倾斜的挡板，意图改变风对大桥的严重影响。大桥管理部门草拟方案准备采取补救施工，但是还来不及补救，大桥就坍塌了。(四)原因分析1.塔科马大桥设计中存在一些致命的缺陷，相对于主跨长度而言，

6、路基过窄，它的跨宽比是所有大跨度悬索桥中最大的，大桥路基两边实心的板状墙裙和路基材料硬度不够。因此塔科马大桥具有两大根本缺点，实心墙裙成了挡风之墙，垂直方向过分柔软，容易引起扭曲。2.众说纷纭的坍塌原因1)随机湍流简单说来，早期有人认为风压形成一种强迫力，强迫力频率与大桥的固有频率相同或相近，产生大尺度振荡。实际观察中，大桥的振荡是稳定振荡，而湍流却随时间发生无规则变化，难以解释。2)周期性涡旋脱落冯•卡尔曼认为，塔科马桥的主梁有着钝头的H型断面，和流线型的机翼不同，存在着明显的涡旋脱落，应该用涡激共振机理来解释。冯•卡尔曼1954年在

7、《空气动力学的发展》一书中分析：塔科马海峽大桥的毁坏，是由周期性旋涡的共振引起的。20世纪60年代以来，不少计算和实验，为冯•卡尔曼的分折提供了证据。但是，实际观察表明大桥的扭振频率为0.2Hz，而有的模型计算表明，旋涡脱落频率为1Hz。频率的5倍差距，致使涡旋脱落作为理论解释的主因，不尽满意。3)空气动力不稳定性引起的自激颤振假定以大桥的半跨进行分析，风往往不是完全沿水平方向吹向大桥桥面，比如从下往桥面向上吹，形成仰角，下面风压高于上面的气压，产生升力，桥面开始顺时针扭转，迎风的前缘向上转，后缘向下转。同时桥面的弹性产生应力，使桥面反

8、方向扭转，而且越过原来位置。这时，桥面前缘在下，后缘在上，上面风压高于下面的气压，产生升力，使桥面开始逆时针扭转。这个过程一再反复，大桥不停地来回振荡。以至大桥材料疲劳超过极限，最终坍塌。4)最终祸首——卡