舞动的大桥
来源:科普中国 时间:2020.08.12

前不久在网上到处流传那座大桥抖动的视频,有技术人员马上指出是因为挡墙(水马)而形成涡街,现已着手拆除解决。然而这让我想起桥梁史上的一件往事,一件整整80年前的往事。

最初我是从英国科幻大师A.C.克拉克的科幻小说《天堂的喷泉》中读到这则故事的,出于一种强烈的好奇,我又查阅了许多相关资料,才发现这是一起所有建筑工程师都耳熟能详的事故。简单说来,就是在上个世纪的上半叶,横跨于美国华盛顿州普吉特海峡塔科马峡谷上的一座钢结构大桥,居然被狂风“刮”断了。后来我又把这则故事引述到自己的科幻短篇《白令桥横》当中,再后来我发现这段文字在一些技术教程中被频繁引用。

1940年7月1日,造型优美、跨径853米的塔科马钢铁大桥建成通车。大桥刚投入使用就出现上下起伏的振动,引得许多人驱车前往享受这种奇妙的感觉。11月7日晨7:00,顺峡谷刮来的8级大风带着人耳不能听到的振荡,激起了大桥本身的谐振。在持续3个小时的大波动中,整座大桥的上下起伏竟达1米之多。10:00时振动变得更加强烈了,其幅度之大简直令人难以置信。数千吨重的钢铁大桥由刚性变成了柔性,像一条缎带一样以8.5米的振幅左右来回起伏飘荡。高达数米的长长波浪在沉重的结构上缓慢爬行,从侧面看起来就像是一条正在发怒的巨蟒。在整个过程中共振在不断地逐渐加强,但是谁也想不到将会产生什么样的后果——结局本来是设计师们应该预料到的,现在它马上就要发生了。

11:10,正在桥上观测的一位教授保证说:大桥绝对安全。可他话音刚落,大桥就开始断裂,教授沿着桥上的标志线安全地退了下来。就在这一瞬之间,桥上那承受着大桥重量的钢索在怪物般起伏的进攻下失去了束缚力,猝然而断。大桥的主体从天而降,整个拍落到万丈深渊。桥上的其他构件也难逃噩运,仿佛电影中的慢镜头一样,各种构件像巨人手中的玩具一样飞旋而去。当时正在桥中央的一名记者赶忙钻出汽车,拼命抓住桥边的栏杆,用手和膝盖爬行着脱了险。整座大桥坍塌了!车里的小狗和汽车一起从桥上掉落,成为这次事故的唯一牺牲者。

有关这座大桥的垮塌,还有许多额外的小故事。

——事故发生后人们才得知,大桥投保额达800万美元的保险金早已被保险公司的一名外勤工作人员私吞,为此他当然锒铛入狱。不过这名贪污犯讥讽地指出,假使此事再晚发生一周他就能逃脱干系,因为那时大桥管理人员将取消所有的保险合同,他们坚信大桥安全可靠万无一失。

——当地银行本来在桥边立有一块招牌,宣称他们的银行“像塔科马大桥一样可靠”,可大桥一塌银行慌忙把它拆除了。

——大桥垮塌后州长在演说中声称:“我们还要照以前那样建造一座完全一样的桥!”著名的航天工程学家冯·卡门听说后马上给州长拍发了一份电报,“如果你要照以前那样修建一座完全一样的桥,那它就会完全照以前那样倒塌在完全一样的那里。”

简单说来,塔科马大桥毁于共振。对于这种钢梁悬索桥来说,当桥面距离空旷水域的水面较高时,风力就会使之产生振动。当稳定的层流风吹向障碍物时,风力将分流绕过其断面而形成交替周期性的涡流脱落,这又被称为冯·卡门涡街。说得通俗一点,流动的空气在绕过障碍物时会迫其产生振动,当振动达到一定程度时就会引起障碍物的共振,共振使振幅逐渐增大,桥梁必塌无疑。

塔科马大桥垮塌的那一天,风速为每秒钟19米(时速近70千米),狂风导致桥的钢梁部分扭转变形——中心不动,两边因扭矩而扭曲。最终风能战胜了钢的挠曲变形,使桥梁结构“拧了麻花”。同时拉起大桥的钢缆开始断裂,当越来越多的钢缆断裂时又引发出连锁性灾难,它们无力承担桥梁自重,桥梁终于垮塌。

(作者系北京作家协会专业作家。主要从事科幻与科普创作,著有《决斗在网络》《时空死结》等作品)


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舞动的大桥

来源:科普中国 时间:2020.08.12

前不久在网上到处流传那座大桥抖动的视频,有技术人员马上指出是因为挡墙(水马)而形成涡街,现已着手拆除解决。然而这让我想起桥梁史上的一件往事,一件整整80年前的往事。

最初我是从英国科幻大师A.C.克拉克的科幻小说《天堂的喷泉》中读到这则故事的,出于一种强烈的好奇,我又查阅了许多相关资料,才发现这是一起所有建筑工程师都耳熟能详的事故。简单说来,就是在上个世纪的上半叶,横跨于美国华盛顿州普吉特海峡塔科马峡谷上的一座钢结构大桥,居然被狂风“刮”断了。后来我又把这则故事引述到自己的科幻短篇《白令桥横》当中,再后来我发现这段文字在一些技术教程中被频繁引用。

1940年7月1日,造型优美、跨径853米的塔科马钢铁大桥建成通车。大桥刚投入使用就出现上下起伏的振动,引得许多人驱车前往享受这种奇妙的感觉。11月7日晨7:00,顺峡谷刮来的8级大风带着人耳不能听到的振荡,激起了大桥本身的谐振。在持续3个小时的大波动中,整座大桥的上下起伏竟达1米之多。10:00时振动变得更加强烈了,其幅度之大简直令人难以置信。数千吨重的钢铁大桥由刚性变成了柔性,像一条缎带一样以8.5米的振幅左右来回起伏飘荡。高达数米的长长波浪在沉重的结构上缓慢爬行,从侧面看起来就像是一条正在发怒的巨蟒。在整个过程中共振在不断地逐渐加强,但是谁也想不到将会产生什么样的后果——结局本来是设计师们应该预料到的,现在它马上就要发生了。

11:10,正在桥上观测的一位教授保证说:大桥绝对安全。可他话音刚落,大桥就开始断裂,教授沿着桥上的标志线安全地退了下来。就在这一瞬之间,桥上那承受着大桥重量的钢索在怪物般起伏的进攻下失去了束缚力,猝然而断。大桥的主体从天而降,整个拍落到万丈深渊。桥上的其他构件也难逃噩运,仿佛电影中的慢镜头一样,各种构件像巨人手中的玩具一样飞旋而去。当时正在桥中央的一名记者赶忙钻出汽车,拼命抓住桥边的栏杆,用手和膝盖爬行着脱了险。整座大桥坍塌了!车里的小狗和汽车一起从桥上掉落,成为这次事故的唯一牺牲者。

有关这座大桥的垮塌,还有许多额外的小故事。

——事故发生后人们才得知,大桥投保额达800万美元的保险金早已被保险公司的一名外勤工作人员私吞,为此他当然锒铛入狱。不过这名贪污犯讥讽地指出,假使此事再晚发生一周他就能逃脱干系,因为那时大桥管理人员将取消所有的保险合同,他们坚信大桥安全可靠万无一失。

——当地银行本来在桥边立有一块招牌,宣称他们的银行“像塔科马大桥一样可靠”,可大桥一塌银行慌忙把它拆除了。

——大桥垮塌后州长在演说中声称:“我们还要照以前那样建造一座完全一样的桥!”著名的航天工程学家冯·卡门听说后马上给州长拍发了一份电报,“如果你要照以前那样修建一座完全一样的桥,那它就会完全照以前那样倒塌在完全一样的那里。”

简单说来,塔科马大桥毁于共振。对于这种钢梁悬索桥来说,当桥面距离空旷水域的水面较高时,风力就会使之产生振动。当稳定的层流风吹向障碍物时,风力将分流绕过其断面而形成交替周期性的涡流脱落,这又被称为冯·卡门涡街。说得通俗一点,流动的空气在绕过障碍物时会迫其产生振动,当振动达到一定程度时就会引起障碍物的共振,共振使振幅逐渐增大,桥梁必塌无疑。

塔科马大桥垮塌的那一天,风速为每秒钟19米(时速近70千米),狂风导致桥的钢梁部分扭转变形——中心不动,两边因扭矩而扭曲。最终风能战胜了钢的挠曲变形,使桥梁结构“拧了麻花”。同时拉起大桥的钢缆开始断裂,当越来越多的钢缆断裂时又引发出连锁性灾难,它们无力承担桥梁自重,桥梁终于垮塌。

(作者系北京作家协会专业作家。主要从事科幻与科普创作,著有《决斗在网络》《时空死结》等作品)