土木工程系《结构力学》第二个学期的经典案例:美国塔科马大桥
这个案例主要是给学生们讲解动力学的相关知识,一个大桥除满足静力要求外还需要满足动力学设计要求。1940年代之前,人们对于桥梁设计的理解主要集中于大桥的承载能力要能够满足所承受的外部荷载,简单说就是桥在静力作用下要结实。
塔科马海峡吊桥(英语:Tacoma Narrows Bridge)是位于美国的两条悬索桥。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,四个月后地被微风摧毁,这一幕正好被一支摄影队拍摄了下来,该桥因此声名大噪。
当年的设计标准就是仅按照荷载进行的设计,塔科马大桥当年采用了比较大的跨度、宽度比,超过1:70,远高于同期的其他悬索桥桥。今天来看这样的跨宽比会对动力学有很大的挑战,但是当年设计主要还是考虑静力:
在刚刚通车的时候塔科马大桥实际上已经出现了经常在刮风天气下起起伏伏的现象。但是起伏主要是桥的两端有起有伏或者是在水平面横向移动,以今天的视角来看,这座桥刚度不足已经是出现了失稳状态,应该立即采用加固的方式并暂停使用。但是当年结构工程师对空气动力学和结构动力学的研究还处于起步阶段,在1940年11月7日,大桥在风的作用下,出现了扭转变形,如下图:
----
中途也有很多对于减轻震动的一些考虑和补救计划,不如拉附加的钢缆或者在侧边打洞引导风的流线。但是工程师们仍然认为这对于桥来说仅仅是个解决震动的问题,并不威胁安全。
结果:
这就是桥的真实变形程度,看着非常有当年老科幻电影的感觉了,可惜这个都是真的。
11月7号这一天的风并不大,远小于设计的极限风速。从9点开始的风开始不断扭动大桥,最终使结构超过了疲劳极限,最终倒塌。
-----
这个案例比起什么拿破仑士兵齐步走把桥踩塌了更为直观。虽然这里面关于风动力学、材料性能和结构力学的相关内容更为复杂,但是简单的也可以说是共振引起的材料疲劳失效。在这之后,所有斜拉桥、悬索桥或者跨宽比很大的桥都要经过风洞模拟或者实验。
当然,结构力学的考试内容也增加了。。。 |