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![吊桥实例分析之塔克马桥的坍塌与重建[详细]](https://img.taocdn.com/s1/m/0f508687f111f18582d05a9c.png)
塔科马大桥坍塌原因分析摘要：塔科马海峡桥（Tacoma Narrows Bridge）位于美国华盛顿州，旧桥于1940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。
塔科马大桥风毁给我的一些新认知摘要：1940年11月7日位于美国华盛顿州塔科马海峡的塔克马大桥坍塌，该桥属于悬索桥，全场1524米，通车时间为1940年7月11日。
事后调查得出，结构上的缺陷和过于追求审美是导致大桥质量出现严重问题的重要原因，从此空气动力学与共振实验成为建筑工程学的必修课程。
关键词：扭转变形共振抗风风洞试验力学课上我看了塔科马大桥风毁的全过程，桥面拧得像麻花，气势犹如发怒的蟒蛇。
我惊呆了，目不转睛。
随后桥面连同上面的汽车一起重重的拍向水面。
共振，这是我第一个想到的词，而风，我认为则是元凶。
风的作用有静力作用和动力作用，静力作用又分为顺风向风力、横风向风力和风扭转力矩。
其中，横风向风力最为危险，它所造成的桥梁破坏的特点主要是强度破坏或过大的结构变形。
此事件中的风向为横向。
风的动力作用主要体现在振动方面。
经过查资料，套定义，和比对特征，我排除了强迫震动、涡振、抖振与驰振，个人认为此事件是由自激振动中的颤振造成的，这是一种危险性的自激发散振动，振动的桥梁通过气流的反馈作用从流动的风中不断的吸收能量，而该能量又大于结构阻尼所耗散的能量，从而使振幅增大而形成一种自激发散振动，引发结构发散性失稳破坏。
为了避免这种破坏要经过精心的分析与设计，辅以风洞模拟试验验证，并采用提高主梁截面抗扭刚度等措施来提高颤振临界风速。
在对比抖振时，我查到抖振可以导致构件较大形变以及结构局部疲劳，同时引起行人或行车的不舒适，我想这是不是抖振引发的次声波所造成的？还是其他原因，我会想办法查明的。
当桥面摆动欲“摆脱”悬索时，我注意到桥面的中心轴几乎是不动的。
两边的振动产生扭矩，不断振动，然后风战胜了钢，振动逐渐加强，随着越来越多的钢缆“放弃”而断裂，最后桥面承受不住重量而坍塌，这就是扭转形变带来的严重后果。
往往一深入就会有新的发现，原计划方案是将7.6米深的钢梁打入下方路面使之硬化，而最后采用的新方案却使用了2.4米深的浅支承梁，这样钢梁会变窄，大桥会更加美观，更具有观赏性，同时降低了建造成本，可悲的是浅支承梁不足以使桥面路基拥有足够的刚度，以至于大桥在中度甚至轻度风的吹拂下就可以来回摆动，而且原方案计划在路基下面使用格状衍架梁，这样风就可以直接通过衍架而减少风的作用，然而，新的方案却将此更改，使得风被转移到了桥的上下两端，流动的空气在绕过障碍物时会迫使障碍物振动，振动频率会接近桥的固有频率，当振动达到一定程度时就会引起共振现象，使振幅进一步增大而造成破坏。
世界桥梁建筑失败案例
那咱得说说美国的塔科马海峡大桥。
这桥啊，那可真是个“悲剧”的典型。
当时建这桥的时候，那设计师可能觉得自己设计得超酷。
这桥看起来瘦瘦长长的，就像个苗条的模特站在那。
可是呢，它有个大问题，就是抗风能力差得一塌糊涂。
你想啊，风一吹，这桥就像个喝醉了酒的大汉，晃得那叫一个厉害。
刚开始的时候，只是小幅度地晃悠，大家还觉得挺新奇的，就像看一个调皮的孩子在那蹦跶。
可是啊，这风越来越大，桥晃得越来越离谱。
这桥就像个散了架的玩具一样，直接垮掉了。
那场面，就好像一个巨人突然被绊倒，“轰”的一声，整个掉进水里，真是让人目瞪口呆。
还有个例子就是加拿大的魁北克大桥。
这桥的建造过程那是一波三折，而且最后还成了一个失败的典型。
建造的时候，工程师们可能有点太心急了，想赶紧把这个宏伟的大桥给弄出来。
可是呢，在设计和施工的过程中，他们犯了不少错误。
比如说，在计算桥梁承受力的时候，可能是数学没学好，数据出了偏差。
结果呢，当大桥还在建造的时候，就发生了严重的坍塌事故。
那一堆钢铁就像被推倒的积木一样，稀里哗啦地全倒了。
好多工人当时就在桥上呢，这一倒，好多人都遇难了。
这魁北克大桥啊，就像一个还没长大就夭折的孩子，真是让人叹息。
风振对桥梁工程损害及防治摘要：风对桥梁的作用是一种十分复杂的现象，随着桥梁跨径的不断增加,风振现象也越来越受到工程界的关注。
本文针对抖振、涡激共振、风雨振等风致振动对大跨度桥梁的结构安全形成不可忽视的影响，探讨了大跨度桥梁抗风设计原则与风致振动的控制,提出了改善桥梁结构和增加机械阻尼等方法。
关键词：大跨度桥梁;风致振动;抗风设计１引言１940年秋，美国华盛顿州建成才四个月的主跨853m的塔科马悬索桥在风速不到20m／s的8级大风袭击下发生了当时还难以理解的强烈振动，奇妙的风竟使桥面扭曲翻腾。
而且振幅愈来愈大.直至使桥面倾翻到45度，最终导致桥粱的折断坠入峡谷之中。
这次事故后引起了国际桥梁工程界和空气动力界的极大关切,并开展了大量的理论探索和风洞实验研究。
我国自７0年代起斜拉桥蓬勃发展，跨度日益增大,1９99年1０月，主跨13８5m的江阴长江公路大桥的建成通车,使我国成为世界上能自主设计和建造千米级悬索桥的第六个国家。
中国改革开放以来已经建成了百余座缆索承重桥梁，其中包括10座悬索桥和近2０座跨度超过400ｍ的斜拉桥.与此同步,斜拉桥和吊桥的风致振动理论与实验研究也结合工程实际迅速发展，并取得了一些有价值的研究成果。
2桥梁结构风致振动理论风灾是自然灾害中发生最频繁的一种,桥梁的风害事故屡见不鲜。
风与结构的相互作用是一个十分复杂的现象，它受风的自然特性、结构的外型、结构的动力特性以及风与结构的相互作用等多方面因素的制约.当风绕过一般为非流线型作用截面的桥梁结构时，会产生旋涡和流动的分离，形成复杂的空气作用力.当桥梁结构的刚度较大时，结构保持静止不动,这种空气力的作用只相当于静力作用.当桥梁结构的刚度较小时,结构振动受到激发，这时空气力的作用不仅具有静力作用，而且具有动力作用。
2.１风的静力作用静力作用指风速中由平均风速部分施加在结构上的静压产生的效应，可分为顺风向风力、横风向风力和风扭转力矩.在顺风平均风的作用下，结构上的风压值不随时间发生变化，作用与桥梁上的风力可能来自任一方向，其中横桥向水平风力最为危险,是主要的计算对象。
塔科马大桥简介塔科马大桥（Tacoma Narrows Bridge）位于美国华盛顿州的塔科马市和吉格港之间，是一座横跨塔科马海湾的悬索桥，也被称为“风之桥”（Galloping Gertie）。
塔科马大桥于1940年7月1日建成通车，但在通车后仅仅几个月的时间里，塔科马大桥就因为严重的振动而垮塌，成为了工程界的一个重大教训。
建设背景建设一座横跨塔科马海湾的桥梁一直是华盛顿州政府的梦想，早在20世纪初，就有一位工程师提出了建设桥梁的设想。
然而，由于经费和技术等问题，在数十年的时间里没有任何实际行动。
直到1938年，华盛顿州政府才决定启动塔科马大桥的建设。
建设塔科马大桥不仅可以解决华盛顿州南部地区的交通问题，还可以促进经济的发展，连接吉格港和塔科马市的交通运输更加便利。
工程概况塔科马大桥总长约1800米，主塔高约已分别为128米和121米，主跨距为853米，两侧支跨分别为290米和238米。
主塔采用了钢桶拆除式沉井施工，其特点是操作空间较大，便于塔基施工。
塔科马大桥的悬索结构由两条主悬索和许多斜拉索组成，主索由钢索捆绑，斜拉索连接主索和桥面，共同承担桥面荷载。
主塔和桥面之间通过横向和纵向支撑连接，以保持桥梁的稳定。
垮塌事件塔科马大桥在1940年7月1日正式通车，然而，在通车后的几个月中，塔科马大桥就频繁出现了严重的自振现象。
当时人们发现，桥面开始产生节奏性的上下波动，整座桥梁仿佛受到了风的控制。
自振现象的频率越来越高，桥梁的振幅也越来越大。
当地人将桥梁昵称为“风之桥”，吸引了大批游客前来观赏。
然而，这一切在1940年11月7日发生了彻底的改变——塔科马大桥突然垮塌。
在垮塌事件中，塔科马大桥的主塔和主悬索都完好无损，但整个桥面却坠入了水中。
调查显示，塔科马大桥的垮塌是由于风的不断激励引起的共振效应，最终导致了桥梁的毁坏。
灾后重建塔科马大桥的垮塌震惊了全世界，并引起了对桥梁工程设计和施工的关注。
灾后重建成为了当时工程界的重要任务。
个人资料整理，仅供个人学习使用塔科马桥风振致毁——风与桥AbstractHistorically, the collapse of the TacomaNarrowsBridge in 1940, after only a few months of service, prompted most of the research on aerodynamic stability of bridge.Before the TacomaNarrowsBridge collapsed, bridge engineer were content to design for static loads produced by lateral winds, and the conventional design of bridges was focused mostly on the strength of aeroelastic investigation in structural design which included the rigidity, damping characteristics and the aerodynamic shape of the bridge. At the present time, it is considered more scientific to eliminate the cause than to build up the structure to resist the effect. The aerodynamic phase of the problem is the real challenge to bridge engineers, and in response to this challenge, we now have the new science of bridge aerodynamics.Basically, the research and knowledge of aeronautics and aerodynamics were brought to bear on the bridge problem, treating the deck section as an airfoil, i.e. like the wing cross-section of an aircraft. The results have been equally applicable to suspension and cable-stayed bridge. The development of the suspension bridge theory led to more economical, more slender and more ambitious structures. It was in the interest of maintaining these advantages and at the same time restoring aerodynamic stability that extensive research was started.When the first cable-stayed bridge was build in Sweden in 1955, the problem lf aerodynamic stability in bridge design did receive considerable study. However, that study did not then lead to explicit design rules and formulas. It should be noted that all extensive research done so far has not yet completed our knowledge of this problem.1、塔科马桥风毁介绍1940年11月7日，美国华盛顿州塔科马桥因风振致毁。
这一严重的桥梁事故，开始促使人们对悬索桥结构的空气动力稳定问题进行研究。
该桥主跨长853.4m，全长1810.56m，桥宽11.9m，而梁高仅1.3m。
通过两年时间的施工，于1940年7月1日建成通车。
但由于当时人们对柔性结构在风作用下的动力响应的认识还不深入，该桥的加劲梁型式极不合理（板式钢梁），导致在中等风速(19m/s)下结构就发生破坏。
幸好在桥梁破坏之前封闭了交通。
据说，在出事当天，一位记者把车停在桥上，并把一条狗留在车内。
桥倒塌时，只有他本人跑到了桥台处。
当地的报纸以简洁的标题对这场事故作了报道，“损失：一座桥、一辆汽车、一条狗”。
2、风荷载的研究实际上风对桥梁的力学作用，很早就有学者进行研究。
1759年Smeaton等就提出构造物设计时要考虑风压问题，从此开始有了风载荷的概念，但当时对风压的认识是不够的，也没有引起充分重视。
直至1879年，英国的Tay桥受到暴风雨的袭击，85跨桁架中的13跨连同正行驶于其上的列车一起堕入河中的特大事故发生之后，人们对风载荷所产生的作用才引起了高度的重视。
以这一事故为契机，开展了关于风压的研究，并将其反映到桥梁设计中。
1887年重建Tay桥时，由Baker等经现场实验，确定了风压的大小是273千克／平方米。
这一时期，巴黎为迎接1889年万国博览会，计划兴建埃菲尔（Eiffel）铁塔。
为了确定作用在塔上的风压的大小，由著名工程师埃菲尔着手进行风洞实验，并在1909年成立了风力研究所。
研究所中设立的埃菲尔型风洞，至今仍被广泛使用。
这样，设计桥梁或建筑物时，就可以利用风洞试验定量地评价风荷载的大小。
此后相当长时间内，人们把风对结构的作用仍只看成是由风压产生的静力作用。
直至1940年，发生了一次风毁桥梁的特大事故，才使人们看到了风对结构物的另一种作用——风致振动。
3、风的效应和空气动力学上的稳定性塔科马桥在1940 年垮掉之后,在之后只有几个月的时间内,促进了在桥的空气动力学上的稳定性上的大部份研究。
一般来说导致桥梁振动的原因有3种：地震引起的振动、车致振动和风致振动。
这三种动力学问题目前都很活跃，仍处在学科的前沿。
当美国华盛顿州建成才4个月的塔科马桥（Tacoma）毁于暴风，人们在分析塔科马桥事故的原因时才发现，自1918年起，至少有11座悬索桥毁于风振。
塔科马桥在倒塌之前，工程师们以桥在侧面的风产生的静荷载作用下满足强度要求位设计依据，塔科马桥倒塌之后，工程师们开始注意桥的气体力学的形状，数十年来，关于桥梁对风致振动响应的分类人们已经取得了较为一致的认识。
桥梁工程的研究人员将大部分精力集中在动力失稳（主要是颤振）和紊流响应（抖振）方面。
基本上, 航空学的研究和桥的空气动力学问题有关,如机翼的甲板区段,也就是飞机的翅膀跨区段，结果证明是可以用到斜拉桥上的。
尽管航空学上耦合颤振和失速颤振的理论基本上适合于桥梁结构，但由于桥梁的振动具有多振型参与的特点，所以其分析要比机翼的经典颤振理论复杂。
目前对颤振的研究主要集中在两个方面：(1) 紊流条件下颤振导数的测量与识别；(2) 紊流对颤振的影响。
桥梁的抖振问题比（均匀流下的）颤振问题更为复杂。
现有的各种理论难于对抖振响应给出满意的预估。
4、定性分析风的动力效应风是一种自然现象，是由于太阳对地球大气的加热不均匀而引起的。
由于地球表面的地形起伏和各种障碍物的影响，使靠近地面的风的流动发生紊乱，造成风在速度、方向及其空间分布上都是非定常的（即随时间变化的）和随机的。
为方便计，人们在处理风对桥梁的作用时，首先将风分成两部分：(1)假定风速在时间和空间上都是不变的，称此类风为平均风（稳定风）；(2)另一部分为风速在时间和空间上都改变，称它为脉动风。
从而再将风对桥梁的作用也归纳为两类：一类是风的静力作用，另一类是风的动力作用。
如果设计的桥梁刚度很大，在平均风作用下，桥梁保持静止不动或者其本身振动不影响气流的作用力，此时的定常反应（不随时间而变化的）称为风的静力作用。
这时垂直于桥梁的气流作用力可分解为三个分量，如上图，即气流方向的阻力，与其垂直方向的升力及升力矩。
它们通常被称为流气作用力的三分力，与风速、桥梁断面形状及风对桥梁的攻角等因素有关。
如果设计的桥梁是个柔性结构，风的作用力会引起桥梁振动，而振动的桥梁反过来又将改变气流作用力，产生附加的气动力，形成风与桥梁的相互作用体系，这时的反应，我们称之为风对桥梁的动力作用。
风对桥梁的动力作用是一种十分复杂的现象。
为了便于分析，我们把振动分为两类：一类是在平均风作用下产生的自激振动；一类是在脉动风作用下产生的强迫振动。
自激振动是指振动的桥梁不断从流动的风中吸取能量，从而加剧桥梁的振动，甚至导致破坏。
前面所述的塔科马桥即是自激振动的典型例子。
该桥在设计时吸取了Tay桥事故的经验，其抗风压的设计对于50米／秒的风速都是安全的，然而对风振却几乎未加考虑。
根据当时的技术条件，采用了钢板梁，并且选用了从空气动力学角度来看属于不稳定的H型断面。
因此，1940年刚刚建成通车后，每遇稍强的风就显示出有风振的趋势，但在头4个月内，这些振动仅是竖向的，而且在振幅达到大约1.5米后振动就衰减下来。
运营几个月之后，随着跨中防止加劲梁和主索间相互位移的几根稳定索的断裂，振型突然改变，主桥在跨中作反对称扭曲运动，在跨度1/4点出现从＋45°至－45°的倾斜。
发生了扭曲振动约一小时之后，随着吊杆在索套处的疲劳断裂，约300米长的加劲梁坠入水中。
从力学角度看，风引起了桥梁的振动，而振动的桥梁与附加的气动力之间又形成了闭合关系，如下图。
如果风速超过某一数值时，便产生发散现象，变形将无限增大，桥梁便产生失稳。
这种振动状态的发散现象就称作颤振（或动力失稳）。
颤振是一种自激振动，是将风的动能转换为桥梁的振动能，而使桥梁的振幅增大。
颤振有多种形式，像塔科马桥这样的颤振，是绕中心轴的扭转振动，我们称之为扭转颤振。
驰振也是一种自激振动，和颤振相似，同样是一种发生在横风向的发散振动现象。
但和颤振不同的是，驰振只限于弯曲振动体系。
冬季，深山里的高压输电线上附着的冰雪使断面变成椭圆状态，铁塔间的输电线在风的作用下就会产生长周期（1～10秒），大振幅（1～10米）的振动，这种振动通常是在垂直于气流方向上的振动，这就是驰振（远看时如快马奔驰）。
在桥梁中，就有朗格尔桥的H型断面吊杆发生驰振而损坏的例子。
驰振一般发生在具有棱角的方形或接近方形的矩形截面结构中。
