塔科马大桥坍塌原因分析.docx

塔科马大桥坍塌原因分析摘要: 塔科马海峡桥( a Narrows Bridge )位于美国华盛顿州, 旧桥于 194 0年建成,同年11月, 在19m/s 的低风速下颤振而破坏,震动了世界桥梁界,从而引发了科学家们对桥梁风致振动问题的研究,形成了桥梁风工程的新学科,并将风振动研究不断提高到新的科学水平。关键词: 共振、风振动、扭振正文: 大桥坍塌理论价值当时,人们对这种狭长的桥梁设计找不出可以指责的地方,认为桥梁具有一定的承载能力就足以安全了,其实不然。因为那时人们对于悬索桥的空气动力学特性知之甚少,这场灾难在当时说来是属于不可预测的,或称不可抗拒的。但是, 塔科马海峡大桥的坍塌事故还是引起了工程技术人员的关注,它的经验与教训对以后的大桥设计产生了很大的影响,从此开始了现代桥梁的风洞研究与试验。在今天看来,塔科马海峡大桥坍塌那天,海上的风并不是很大,事故的真正原因就是梁体刚度不足,在风振的作用下桥梁屈曲失稳。桥梁在风的作用下产生了上下振动,振幅不断增大并伴随着梁体的扭曲,吊索拉断,加大了吊索间的跨度,使梁体支撑不均,直至使梁体破坏。风是怎样作用在桥上的呢?为什么相当均匀的风,会使桥产生脉冲式的振动,然后变为扭转振动呢? 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。幽默的美国人后来在谈起塔科马海峡大桥时诙谐的称之为舞动的格蒂( Galloping Gertie )。从20世纪 40年代后期开始,围绕塔科马海峡大桥风毁事故的原因后人进行了大量的分析与试验研究。当时有两种观点。一种观点认为塔科马桥的振动与机翼的颤振类同,是一种风致扭转发散振动;另一种观点认为塔科马桥的主梁是 H 型断面,存在明显的涡流脱落,因此是一种涡激共振。二种观点互相争论,直到 1969 年,斯坎伦( )提出了钝体断面的分离流颤振理论,成功地解释了塔科马桥的风毁机理,并由此奠定了桥梁颤振分析的理论基础。坍塌原因分析(1) 坍塌经过大桥通车之前,就已经发现遇风摇晃的现象,因此通车后一直有专业人员进行监测。 1940 年11月7 日上午, 7:30 测量到风速 38 英里/ 小时(约 61 公里/ 小时),到了 9:30 风速达到 42英里/小时(约68公里/小时)。引起大桥波浪形的有节奏的起伏,有人目睹为 9个起伏。10:03 突然大桥主跨的半跨路面一侧被掀起来,引起侧向激烈的扭动, 另半跨随后也跟着扭动(注意:这时候大桥运动发生实质性的变化)。10:07 扭动大到半跨路面的一侧翘起达 28 英尺(约 米),倾斜 45°。10:30 大桥西边半跨大块混凝土开始坠落, 11:02 大桥东边半跨桥面下坠, 11:08 大桥最后一部分掉进大海。上图就是塔科马大桥坠毁当时的惨象。这幅照片是大桥主跨第一片混凝土坠落后几分钟拍摄的,可以从图中看