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塔科马大桥坍塌原因分析(共7页).docx


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塔科马大桥坍塌原因分析
摘要:塔科马海峡: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。
大桥的扭振模式
塔科马大桥在38英里/小时风速的振动模式
1940年11月7日,上午7:00,观察到一阵风速为38英里/小时( m/s)的风,这阵风不算很大,却激发起大桥横向振动模式,近似于正弦波形,(),持续了3个多小时。这时,振动是有节奏的,也是平稳的。根据观察分析,当时大桥主跨以36次/分的振动频率振动,,桥面横向扭曲成9段。见上图。
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这时的实际场景是大桥一边的人可以看到大桥另一边的起伏景象,这种起伏呈周期性,具有正弦型特征。见下图。
这是9:00以前大桥呈正弦型波动的场景,可以看到桥面上汽车正在“波动”下去
9:30时,风速增大到约42英里/小时(约19 m/s),中部悬挂缆激烈晃动,形成载荷失衡,大桥发生频率为14次/分, Hz扭振模式。大桥像麻花一样扭振,将大桥的主跨分成两半跨,一半跨按逆时针扭,另一半跨按顺时针扭。
塔科马大桥在42英里/小时风速的扭振模式
由于大桥路面的弹性应力,两个半跨扭到一定程度,就反弹回来,原来按逆时针扭的半跨向顺时针扭,原来按顺时针扭的另半跨向逆时针扭。这样往复交替进行。主跨两半中间有一条线,就是“节线”,沿着这条节线没有任何扭转发生。随着持续的风吹,跨边上下翘起的最大幅度越来越大,以指数状增大,仅十几分钟,振幅就达到28英尺()。大幅度扭振最终导致大桥在震耳欲聋怒吼声中坍塌。见上图。
这时的实际场景是大桥左边比大桥右边高出许多,桥面呈周期性麻花型扭曲,具有扭振型特征,桥面上的汽车正被甩来甩去。见下图。
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这是9:30以后大桥呈扭振弯曲的场景,可以看到桥面上主跨左边比右边高出许多,桥面呈麻花型
扭振模式的计算机模拟
华中科技大学李元杰教授利用《物理过程模拟写作平台》模拟出动态扭振模式,将频率、波数等参数进行适当调节后,得到振幅较小的扭振模式图(见下图1)和振幅较大的扭振模式图(见下图2)。
图1 振幅较小的扭振模式模拟
图9 振幅较小的扭振模式模拟

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  • 时间2022-02-27
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