塔科马(诡异的卡门漩街与离奇的塔科马吊桥灾难)

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        桥梁名称:塔科马海峡大桥，绰号舞动的格蒂，
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，
造成损失:一座桥、一辆汽车、一条狗，
桥梁地址:美国华盛顿州塔科马，
桥梁设计师:莱昂·莫伊塞夫Leon Moisseiff，
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。



▲莱昂·莫伊塞夫右一



▲1909年通车的曼哈顿大桥



▲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
凭借着如此之多的成果业绩，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。



▲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。



▲钢箱梁左与桁架右对比
可令莫伊塞夫没有想到的是，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。



1940年11月7日上午，风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。



疯狂的扭动使得路面一侧翘起达8.5米，倾斜达到45度。



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。



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。
1940年11月28日，美国海军水文办公室报告说，大桥残骸位于北纬47 °16'，西经122 °33'，水深180英尺55米处。沉没的大桥残骸编号92001068，被登记在国家历史地点记录册中。水下的残骸现在已经作为一座人工礁石被保护起来。
大桥最终被摧毁的画面被当地照相馆的老板巴尼·埃利奥特Barney Elliott拍摄了下来。1998年，塔科马海峡大桥的坍塌视频被美国国会图书馆选定保存在美国国家电影登记处，这段震撼人心的视频被誉为“在文化、历史和审美学方面有着重要意义”。这段珍贵的电影胶片目前仍然对学习工程学、建筑学和物理学的学生起着警示的作用。
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，发生共振塔科马，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。
经过初步调查研究，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。



▲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塔科马，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。



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。



现有塔科马海峡吊桥
名称:塔科马海峡吊桥，绰号强健的格蒂
桥梁形式:双悬索桥
主跨:2800英尺853米
全长:5979英尺1822米
通航净空:187.5英尺 57.15米
通车日期:1950年10月14日西行;2007年7月15日东行
塔科马海峡大桥位于美国华盛顿州的塔科马海峡。第一座塔科马海峡大桥，绰号舞动的格蒂，于1940年7月1日通车，四个月后戏剧性地被微风摧毁。重建的大桥于1950年通车，2007年，新的平行桥通车。



现有及加建中的桥梁

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