090.1940年:塔科马海峡大桥
莱昂·莫伊塞弗(Leon Moisseifg,1872—1943)
塔科马海峡大桥坍塌时的场景。
桁架桥(1823年),泰坦尼克号(1912年),金门大桥(1937年),阿波罗13号(1970年),福岛核事故(2011年)
想象一下,如果你是一个正在设计桥梁的工程师,你将最好的经验全部用于这座桥梁的建设,但它却壮观地坍塌了。当这一情况发生,工程师会发现他们的经验不是完美的。其结果是:最好的实践是不断地更新,经验需要调整,工程结构的世界才会变得更安全。这说的正是塔科马海峡大吊桥所发生的一切,它是由莱昂·莫伊塞弗设计的,于1940年垮塌。
吊桥在1940年非常普遍。莫伊塞弗自己在1909年设计了曼哈顿大桥,在1937年设计了金门大桥。这些都是有大跨度的大桥梁,莫伊塞弗成为了备受推崇的吊桥设计专家。
所以当莫伊塞弗设计西雅图附近的跨越普吉特海湾塔科马海峡大桥的时候,事情看上去非常的理所当然,建桥需要塔、悬索、锚缆索、吊索和桥板。因为预算的控制,莫伊塞弗提出了一个不那么贵的设计方案,采用更小的梁来支撑桥板,而不是工程师过去使用的三倍于此的桁架。他的设计胜出了。其原因有二:(1)建造成本较低,因为减少了钢筋的用量;(2)更薄的甲板横截面更具美感。莫伊塞弗自己称塔科马海峡大桥为“世界上最美的桥梁”。
问题是:工程师没有完全理解气动弹性颤振(aeroelastic flutter)。如果你体会过在强风下紧绷的绳索的振动,你就会明白这一现象了。塔科马海峡大桥的梁不够硬,在强风中它也跟着摆动。在这种情况下,桥板变成了冗长而又沉重的绳索,所以它的摆动是大幅度的上下的动作,这引起了它自身的断裂。如果你看这座桥坍塌前的视频,你会看到这么巨大的摆动简直是不可能的。
幸运的是,桥梁的坍塌并没有人员的伤亡。工程师分析了其失败的原因。从那之后,吊桥的桥板必须足够坚硬,以避免这样的问题再出现。■ 工程学之书