塔科马海峡大桥倒塌事故的调查与原因
分析
姓名1：黄金钊（1123310319) 姓名2：赵光远（1123310318）
【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, 该桥是华盛顿州耗资640万美元建成的悬索大桥, 享有世界单跨桥之王的称号．该桥主跨853．4m, 全长1 810．56m, 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, 大桥刚投入使用就出现了上下起伏 。四个月后，同年11月7日上午约十一点，塔科马大桥在震动中倒塌。
【关键词】：塔科马大桥，倒塌，风压，振动，原因
一·工程事故的调查
20世纪上半叶，美国奥林匹克半岛尚未开发，看到其资源的经济潜力，越来越多的人希望在这里建造大桥。1923年即有一个委员会在做建桥的可行性研究。1927年塔科马商会路桥委员会确认了建桥的可行性并组成了一个集资委员会负责前期的勘测筹款。1928年塔科马商会正式宣布建桥，并开始筹款，然而在未来的五年中并没有筹得足够的资金。
开始时桥梁采用当时流行的悬索结构，华盛顿州的工程师克拉克. 艾尔德里奇早先提出一个初步设计，采用25英尺高钢桁架梁，预计造价1100万美元，他将设计方案交给多个专家审核，其中一个来自纽约的工程师赖昂. 莫伊塞夫认为他可以花更少的钱建桥，他将梁高减为8英尺高的钢板梁，由于梁高的变矮使桥更优雅，更具观赏性，同时也降低了成本，预计造价600万美元。莫伊塞夫是纽约曼哈顿大桥的设计者，旧金山金门大桥的主要设计者，在桥梁设计上小有名气，因此他的设计被接受。
经过波折的资金筹集，终于在1938年11月23日由太平洋桥梁公司开始上部结构的施工。桥的夸高比高达350，跨宽比达72，桥梁没有足够的刚度，从而
经不住风的侵袭。大桥在1940年6月底建成后不久（通车于1940年7月1日），人们就发现大桥在微风的吹拂下会出现晃动甚至扭曲变形的情况。这种共振是横向的，沿着桥面的扭曲，桥面的一端上升，另一端下降。司机在桥上驾车时可以见到另一端的汽车随着桥面的扭动一会儿消失一会儿又出现的奇观。因为这种现象的存在，当地人幽默地将大桥称为“舞动的格蒂”。如图1 。然而，人们仍然认为桥梁的结构强度足以支撑大桥。
图1
尽管工程师们认为桥梁结构本身是安全的，但从1940年7月底起华盛顿大学的法库哈逊教授就开始用摄影机记录桥的振动并设法研究减震装置。法库哈逊教授在工程系的地下室做了一个桥的模型来研究减振的方法，他发现在副跨跨中向地面设一锚缆可以减小桥的振动，然而实际装在桥上的猫缆被拉断了。进一步实验发现在梁的腹板上开孔有助于减低风对桥梁的作用力。另一个方案是在梁的侧面装上半圆形的减风罩以减低风力。然而，没等方案的实施，塔科马大桥就倒塌了。
1940年11月7日造成，大桥发生在一个此前从未见过的扭曲形式，当时的风速大约为每小时40英里。这就是力学上的扭转变形，中心不动，两边因有扭矩而扭曲，并不断振动。颤振的出现使风对桥的影响越来越大，最终桥梁结构
像麻花一样彻底扭曲了。在塔科马海峡大桥坍塌事件中，风能最终战胜了钢的挠曲变形，使钢梁发生断裂。拉起大桥的钢缆断裂后使桥面受到的支持力减小并加重了桥面的重量。随着越来越多的钢缆断裂，最终桥面承受不住重量而彻底倒塌了。坍塌当时场景如图2 。
图2
二·工程事故的原因
大桥倒塌之后，关于倒塌的原因，人们展开激烈的争论，同时有关各方也在推诿责任。但毫无疑问的是，桥梁的刚性太低，变形过大是桥梁的一个严重问题。大桥由坚硬的碳钢和混凝土建成的。原先的设计是在路基下使用格状桁架梁。这将是第一座以板状钢梁作为支撑的大桥。按照原先的设计，风只会直接通过桁架，但新的设计将风转移到了桥面上下两端。但桥梁倒塌的真正原因长期以来一直存在争议，至少有三种流行的理论解释大桥的破坏：1. 随机扰动；2. 周期性拖旋；
3. 气动失稳。
1. 随机扰动理论
早期人们认为由于风压得周期性变化恰好与桥的自振频率吻合而引起了桥的共振。这一理论最大的问题是共振要求风压的频率与桥的频率一致，而随机风压的频率总是随时间变化的，所以随机风压不可能使大桥在所有风中都产生稳定
的振动。因此，这一理论似乎不太适合本案。
2. 周期性脱旋
著名的航空空气动力学专家奥多·冯·卡门相信涡旋脱落是导致大桥晃动的主要原因。当风吹向一个非流线型的物体，如大桥桥面时，其背风面会产生卡门涡街，卡门涡街会使其前方的桥面产生负压作用而引起振动。如图3
所示。
图3
这一理论的问题是计算得到的频率为1Hz ，而法库哈逊教授实际测得的频率为0.2Hz 。卡门涡街频率是实际的五倍，所以这一扭转振动是由是由卡门涡旋脱落引起的也是不太可能的。除了卡门涡旋，风气旋可能引发振动，也有可能是震颤引发了大桥的扭转振动。
3. 气动失稳
气动失稳是一种自激振动，在这种情况下维持桥振动的周期性力是由大桥自身变形产生的，当振动小时后振动力也就消失了。这一现象称为负阻尼，例如一张纸或一面旗帜迎风飘舞振动。以下是气动失稳理论对塔科马大桥扭转振动的一个解释。
假如风从桥下斜向吹到大桥底面，这股风会对桥面板产生一个扭矩从而使桥面发生顺时针方向的扭转，桥面由于扭转变形而储存了弹性能，由于桥面的转动致使风对桥面的作用角改变，扭矩减低，在弹性恢复力作用下桥面开始逆时针方向转动，由于惯性力作用下桥面不会停在平衡位置，而回继续向逆时针方向转动
直到弹性恢复力大于惯性力和风压扭矩的联合作用桥面就会回头向顺时针方向转动，重复前面的过程而维持持续的扭转振动。在这个过程中风压的大小和方向并没有改变，而风压产生的扭矩的大小和方向是随桥面的转动方向而呈周期性变化的，因此，是一种自激式的振动。当反复次数超过了材料的疲劳极限，或者自激振动增强到使应力超过材料的屈服极限时结构就破坏了。实际上两种因素是相互影响的，比如疲劳会降低材料的屈服极限。
三·结论
大桥倒塌后，工程界进行了大量的调查和研究，法库哈逊教授领导的华盛顿大学研究组将风洞试验引进桥梁结构，试验证明塔科马大桥由于桥梁的变形过大而且没有足够的耗能机制而破坏倒塌。从此以后，重要的大桥设计总要经过风洞试验以保证桥的空气动力性能满足要求。
虽然研究理论以及方法在当时存在一些问题，但认为因素也占了一大部分的原因，莫伊塞夫曾是极富盛名的桥梁专家，对著名的旧金山大桥的设计有着不可磨灭的贡献。然而度的自信而导致塔科马大桥的倒塌，导致他个人身败名裂。假如管理当局没有因为他的盛名和极低的预算而采用他前所未有的大胆设计，假如他谨慎对待桥梁建设过程中的异常摇动，这一损失也许是可以避免的。
科学技术的创新能带来人类环境的巨大发展和改善，每一次的创新和变革都使我们走在一条前人从未走过的道路上，但在新的道路上如何避免尚未知的因素给我们带来的灾难是值得人们深思的课题。
四·说明
本次调查工作是由我们小组共同完成的，我们共同查阅资料文献，收集国内外重大的工程事故，经过多番商议，我们最终决定选用这个具有一定代表性且具有划时代意义的塔科马大桥坍塌事故的案例进行调查分析。
在具体操作过程中，赵光远同学主要负责前期材料的收集工作，主要渠道是百度百科以及中国知网。而我（黄金钊）主要负责材料的整理工作，以及论文的最终定稿。
可以说在这次事故调查及原因分析的工作中，我们小组分工明确，配合默契，
顺利的完成了这次任务。
参考文献：
【1】 陆小华· 土木工程事故案例
【2】 刘俊丽·塔科马桥风振致毁
【3】 百度百科·塔科马海峡大桥的坍塌
塔科马海峡大桥倒塌事故的调查与原因
分析
姓名1：黄金钊（1123310319) 姓名2：赵光远（1123310318）
【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, 该桥是华盛顿州耗资640万美元建成的悬索大桥, 享有世界单跨桥之王的称号．该桥主跨853．4m, 全长1 810．56m, 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, 大桥刚投入使用就出现了上下起伏 。四个月后，同年11月7日上午约十一点，塔科马大桥在震动中倒塌。
【关键词】：塔科马大桥，倒塌，风压，振动，原因
一·工程事故的调查
20世纪上半叶，美国奥林匹克半岛尚未开发，看到其资源的经济潜力，越来越多的人希望在这里建造大桥。1923年即有一个委员会在做建桥的可行性研究。1927年塔科马商会路桥委员会确认了建桥的可行性并组成了一个集资委员会负责前期的勘测筹款。1928年塔科马商会正式宣布建桥，并开始筹款，然而在未来的五年中并没有筹得足够的资金。
开始时桥梁采用当时流行的悬索结构，华盛顿州的工程师克拉克. 艾尔德里奇早先提出一个初步设计，采用25英尺高钢桁架梁，预计造价1100万美元，他将设计方案交给多个专家审核，其中一个来自纽约的工程师赖昂. 莫伊塞夫认为他可以花更少的钱建桥，他将梁高减为8英尺高的钢板梁，由于梁高的变矮使桥更优雅，更具观赏性，同时也降低了成本，预计造价600万美元。莫伊塞夫是纽约曼哈顿大桥的设计者，旧金山金门大桥的主要设计者，在桥梁设计上小有名气，因此他的设计被接受。
经过波折的资金筹集，终于在1938年11月23日由太平洋桥梁公司开始上部结构的施工。桥的夸高比高达350，跨宽比达72，桥梁没有足够的刚度，从而
经不住风的侵袭。大桥在1940年6月底建成后不久（通车于1940年7月1日），人们就发现大桥在微风的吹拂下会出现晃动甚至扭曲变形的情况。这种共振是横向的，沿着桥面的扭曲，桥面的一端上升，另一端下降。司机在桥上驾车时可以见到另一端的汽车随着桥面的扭动一会儿消失一会儿又出现的奇观。因为这种现象的存在，当地人幽默地将大桥称为“舞动的格蒂”。如图1 。然而，人们仍然认为桥梁的结构强度足以支撑大桥。
图1
尽管工程师们认为桥梁结构本身是安全的，但从1940年7月底起华盛顿大学的法库哈逊教授就开始用摄影机记录桥的振动并设法研究减震装置。法库哈逊教授在工程系的地下室做了一个桥的模型来研究减振的方法，他发现在副跨跨中向地面设一锚缆可以减小桥的振动，然而实际装在桥上的猫缆被拉断了。进一步实验发现在梁的腹板上开孔有助于减低风对桥梁的作用力。另一个方案是在梁的侧面装上半圆形的减风罩以减低风力。然而，没等方案的实施，塔科马大桥就倒塌了。
1940年11月7日造成，大桥发生在一个此前从未见过的扭曲形式，当时的风速大约为每小时40英里。这就是力学上的扭转变形，中心不动，两边因有扭矩而扭曲，并不断振动。颤振的出现使风对桥的影响越来越大，最终桥梁结构
像麻花一样彻底扭曲了。在塔科马海峡大桥坍塌事件中，风能最终战胜了钢的挠曲变形，使钢梁发生断裂。拉起大桥的钢缆断裂后使桥面受到的支持力减小并加重了桥面的重量。随着越来越多的钢缆断裂，最终桥面承受不住重量而彻底倒塌了。坍塌当时场景如图2 。
图2
二·工程事故的原因
大桥倒塌之后，关于倒塌的原因，人们展开激烈的争论，同时有关各方也在推诿责任。但毫无疑问的是，桥梁的刚性太低，变形过大是桥梁的一个严重问题。大桥由坚硬的碳钢和混凝土建成的。原先的设计是在路基下使用格状桁架梁。这将是第一座以板状钢梁作为支撑的大桥。按照原先的设计，风只会直接通过桁架，但新的设计将风转移到了桥面上下两端。但桥梁倒塌的真正原因长期以来一直存在争议，至少有三种流行的理论解释大桥的破坏：1. 随机扰动；2. 周期性拖旋；
3. 气动失稳。
1. 随机扰动理论
早期人们认为由于风压得周期性变化恰好与桥的自振频率吻合而引起了桥的共振。这一理论最大的问题是共振要求风压的频率与桥的频率一致，而随机风压的频率总是随时间变化的，所以随机风压不可能使大桥在所有风中都产生稳定
的振动。因此，这一理论似乎不太适合本案。
2. 周期性脱旋
著名的航空空气动力学专家奥多·冯·卡门相信涡旋脱落是导致大桥晃动的主要原因。当风吹向一个非流线型的物体，如大桥桥面时，其背风面会产生卡门涡街，卡门涡街会使其前方的桥面产生负压作用而引起振动。如图3
所示。
图3
这一理论的问题是计算得到的频率为1Hz ，而法库哈逊教授实际测得的频率为0.2Hz 。卡门涡街频率是实际的五倍，所以这一扭转振动是由是由卡门涡旋脱落引起的也是不太可能的。除了卡门涡旋，风气旋可能引发振动，也有可能是震颤引发了大桥的扭转振动。
3. 气动失稳
气动失稳是一种自激振动，在这种情况下维持桥振动的周期性力是由大桥自身变形产生的，当振动小时后振动力也就消失了。这一现象称为负阻尼，例如一张纸或一面旗帜迎风飘舞振动。以下是气动失稳理论对塔科马大桥扭转振动的一个解释。
假如风从桥下斜向吹到大桥底面，这股风会对桥面板产生一个扭矩从而使桥面发生顺时针方向的扭转，桥面由于扭转变形而储存了弹性能，由于桥面的转动致使风对桥面的作用角改变，扭矩减低，在弹性恢复力作用下桥面开始逆时针方向转动，由于惯性力作用下桥面不会停在平衡位置，而回继续向逆时针方向转动
直到弹性恢复力大于惯性力和风压扭矩的联合作用桥面就会回头向顺时针方向转动，重复前面的过程而维持持续的扭转振动。在这个过程中风压的大小和方向并没有改变，而风压产生的扭矩的大小和方向是随桥面的转动方向而呈周期性变化的，因此，是一种自激式的振动。当反复次数超过了材料的疲劳极限，或者自激振动增强到使应力超过材料的屈服极限时结构就破坏了。实际上两种因素是相互影响的，比如疲劳会降低材料的屈服极限。
三·结论
大桥倒塌后，工程界进行了大量的调查和研究，法库哈逊教授领导的华盛顿大学研究组将风洞试验引进桥梁结构，试验证明塔科马大桥由于桥梁的变形过大而且没有足够的耗能机制而破坏倒塌。从此以后，重要的大桥设计总要经过风洞试验以保证桥的空气动力性能满足要求。
虽然研究理论以及方法在当时存在一些问题，但认为因素也占了一大部分的原因，莫伊塞夫曾是极富盛名的桥梁专家，对著名的旧金山大桥的设计有着不可磨灭的贡献。然而度的自信而导致塔科马大桥的倒塌，导致他个人身败名裂。假如管理当局没有因为他的盛名和极低的预算而采用他前所未有的大胆设计，假如他谨慎对待桥梁建设过程中的异常摇动，这一损失也许是可以避免的。
科学技术的创新能带来人类环境的巨大发展和改善，每一次的创新和变革都使我们走在一条前人从未走过的道路上，但在新的道路上如何避免尚未知的因素给我们带来的灾难是值得人们深思的课题。
四·说明
本次调查工作是由我们小组共同完成的，我们共同查阅资料文献，收集国内外重大的工程事故，经过多番商议，我们最终决定选用这个具有一定代表性且具有划时代意义的塔科马大桥坍塌事故的案例进行调查分析。
在具体操作过程中，赵光远同学主要负责前期材料的收集工作，主要渠道是百度百科以及中国知网。而我（黄金钊）主要负责材料的整理工作，以及论文的最终定稿。
可以说在这次事故调查及原因分析的工作中，我们小组分工明确，配合默契，
顺利的完成了这次任务。
参考文献：
【1】 陆小华· 土木工程事故案例
【2】 刘俊丽·塔科马桥风振致毁
【3】 百度百科·塔科马海峡大桥的坍塌