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风，真的能吹垮现代大桥吗？
这两天，虎门大桥在风中摇晃的视频传遍了网络，有些人好奇地问：真有被风吹倒的现代大桥么？
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/ Z9 H( A1 ]! \" r+ E建造中的港珠澳大桥香港段' \9 f8 v( w- b
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- m& `$ S7 g# c a& r你别说，还真有。半个多世纪前美国的一座海峡大桥就以这样的方式结束了生命。. z0 O% M; s# ~' d& H
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( m3 c0 X5 R, C+ l+ ]& \7 [9 {但令人匪夷所思的是，吹垮大桥的风不过区区8级而已。4 `) _) U _1 S7 z$ a/ j+ [$ C
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通车4个月，被海边常见的大风轻易吹垮，这座大桥似乎会沦为笑柄。然而，它的牺牲却成为了桥梁史上的经典，频频被收录在各种工程教科书中。& L5 B7 M, @. f# c+ @9 z3 Z- F, u
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塔科马海峡大桥，对很多人来说是个陌生的名字。但它在风中诡异扭动的画面，却广为流传。如果事先没有了解过，你一定不会相信自己的眼睛。, x. l3 w k& g$ a( ]' k
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4 S4 G: c; O& Z+ U这座桥在当时是美国第三大悬索桥，一度被称为“工程界的珍珠港”。5 V! W( F8 _: Z$ D: ~! ?' v
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8 F7 j, Y/ p0 V9 v- X$ N设计师是业界精英，曾先后参与各著名大桥的建造。建筑工人也兢兢业业，绝不存在偷工减料违规造假。& j* m% C% h c
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但这些都无法阻止，大桥建成开通仅4个月后，就在人们惊恐的注视中坠入海峡。万幸的是，作为20世纪最严重的工程设计错误之一，它坍塌时却没有造成任何人伤亡。$ b$ G* z, m) J' C9 v. w2 ], |
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这是一个所有工程学科教学中都绕不开的经典案例。* L! e/ O+ a9 I/ b4 f- f* N
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, o1 E& @) f8 N0 c- \) X早在1889年，人们就提出了在塔科马海峡上为北太平洋铁路建造栈桥的建议。: B. G' h- j5 X- i) ^1 |
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! k6 v1 J7 J; o% b由于大桥的建成将大大方便海军在布雷默顿的造船厂和陆军在塔科马的军事基地的交通，桥的建设也得到了美国军方的大力支持。
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然而涉及到资金问题，塔科马海峡大桥的建造计划直到1937年才步入正轨。7 Q; }3 u+ w) b- O9 B; F" ?* m
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按照初步计划，联邦政府公共工程管理处（PWA）需要拨款1100万美元，用于建造大桥。0 j: y8 r! K* K+ E6 z
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但是来自纽约的工程师莱昂·莫伊塞夫（Leon Moisseiff），认为他有更好的办法。# Y3 x7 Z# T4 A0 V; {6 i
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2 {) [ b$ x' p莱昂·莫伊塞夫（右一）
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# J4 r: T; m- p# }8 e4 A* o# I, ~ N莫伊塞夫1885年毕业于哥伦比亚大学，仅三年后便加入纽约市桥梁部门，并参与到20世纪20至30年代几乎所有大型悬索桥的设计中。& l8 w0 b+ D* M& y5 r* t
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2 K3 z5 U; ]& S# s) O9 w; a他曾发表一篇关于曼哈顿大桥建造的文章，这篇文章迅速为他赢得了国际声誉，在工程界极负盛名。; ^7 P4 p; O( d/ i
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建造中的曼哈顿大桥
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莫伊塞夫相信自己可以把悬索桥建得比以往更轻、细、长。
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这个想法在他对塔科马海峡大桥的设计方案中得到了充分体现。
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塔科马海峡大桥施工图纸9 c/ R) F3 p! S. h
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莫伊塞夫打算采用2.4米的普通钢梁代替原计划中7.6米的桁架梁。这不仅将建造成本大幅降低至640万美元，还使得大桥更加的纤细优雅。9 ]( P1 ~/ G6 S r$ o/ N
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可是莫伊塞夫没有想到，方案正式获得通过，也意味着他的职业生涯即将走到尽头。
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桁（héng）架——由杆件连接成的空间结构
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原本大桥设计的抗风能力达到120英里/小时。
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7 M% B- U& K9 V) q E' V, S2 H0 @, q但是在大桥吊装合拢完成后，只要有4英里/小时的相对温和的小风吹来，大桥主跨就会有轻微的上下起伏。
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5 P: |4 g. k5 Y( F大桥的缆索; A1 P) E: C, ]* j+ h% G
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然而起伏的现象没有引起人们过多的担心。桥上施工的工人还发明了咀嚼柠檬这样的办法，来抵御上下颠簸带来的眩晕感。) [- b0 `: I/ S: e& G+ B
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在他们看来，满足设计要求的塔科马大桥是安全且可靠的。, S; Z& \0 F$ i: P8 d
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1940年7月1日，塔科马海峡大桥如期建成通车。
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a# k0 X3 r! G' i- p在通车之前，大桥就已经出现遇风摇晃的情况，这吸引了不少民众专门驱车来一探究竟。& S5 X+ _! D/ F+ S
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9 ], X. k, R3 S; R9 s7 o8 Z/ b9 v$ S而人们很快发现，大桥波动的幅度有点不同寻常。" c& E- ~2 ?0 l& i- b3 }
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9 v3 z0 a+ l4 K# d; J3 A7 t* v! ?甚至当人在桥上驾车时，可以见到远处的汽车随着桥面的起伏，一会儿消失一会儿又出现。
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( |( Q6 d, v2 J7 Y5 A3 w$ I7 ?8 h工程师们也注意到了这个问题，一些专业人员被派遣到现场进行实地监测。
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+ X2 X5 f5 m3 E: D7 a% B其后几个月中，桥面的波动幅度不断增加。大桥管理部门尝试过用捆绑缆绳、安装液压缓冲器的方式去减低波动，减少其对行车的影响，但没有取得成功。' {& b# C& H; o* ]4 T
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& [9 Y' v6 k5 b1 w& D, q% f6 ]1940年11月7日上午，风儿似乎比以往更要喧嚣一些。4 |+ a) \! Q- ~9 j l
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技术人员在7：30测得风速38英里/小时，两小时后达到42英里/小时，大桥出现的波浪形起伏竟达1米多。
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这时，记者里奥纳德·科茨沃斯（Leonard Coatsworth）正驾车驶过塔科马大桥。
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车后座上是他的宠物狗，只有三条腿的黑色卡宾犬Tubby。两者都对接下来要发生的事浑然不知。. e/ Y1 A+ F7 p7 c: `
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科茨沃斯——桥上最后一人: q) @. _7 g) b y0 p
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毫无预兆下，大桥路面的一侧突然被风掀了起来。这引起了桥身侧向激烈的扭动，和之前的起伏情况大不相同。在桥面过于剧烈的波动下，科茨沃斯被迫将车停在距离东塔137米的地方。
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而他停车的地方距离收费站有578米。8 p8 b, A# x$ W' }5 q: n
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i ?9 m7 t, ^8 K9 w# U" N科茨沃斯跌跌撞撞地爬下汽车，大桥开始像麻花一样来回扭动，他的耳边充斥着混凝土撕裂的声音。
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疯狂的扭动使得路面一侧翘起达8.5米，倾斜达到45度。5 D+ v; t. b$ z8 l5 a
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5 ?9 H' [0 ^3 ~+ [$ [" S+ s大部分时候科茨沃斯只能靠着手和膝盖爬行，可来回波荡的路面让逃生变得异常艰难。当他拼尽全力到达安全地带后，回头目睹了一生难忘的景象。
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: n8 k9 {; W0 d( |* ^0 G9 U承受着大桥重量的吊索接连断裂，失去了拉力的桥面就像一条发怒的蟒蛇在空中奋力挣扎。
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# D) C/ M' \( e0 b" H. Y建成通车仅四个月后，120多米的大桥主体轰然坠入塔科马海峡，激起了一大片水花。
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) ?: z; T9 ]; X6 R这次事件没有造成人员伤亡。- h/ k5 }* l5 x! I
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尽管科茨沃斯与朋友多次尝试营救，车里的卡宾犬仍然成为了事故唯一的牺牲者。; }7 Y* ?- L) t
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大桥坍塌后，美国组建了一个事故调查委员会。其中就包括空气动力学家冯·卡门（Theodore von Kármán）。' r0 @+ D: a0 L2 g \# M9 f9 U; W2 Y
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卡门是匈牙利犹太人，1930年移居美国后负责指导古根海姆气动力实验室和加州理工大学第一个风洞的设计和建设。NASA著名的喷气推进实验室（JPL）亦是由他创建。
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- v" N0 u8 C$ Y1 b! n风洞实验室( m7 Y* E4 j A5 N+ H+ a
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" b" q! F- O* j- p. C生活中的卡门是一个幽默健谈的人。在我国科学家钱学森赴美留学期间，卡门曾作为他的导师，两人感情十分深厚。
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; B( J( R/ x0 S0 ]7 g$ B( o也正是由于卡门的调查，才使得塔科马海峡大桥事故的原因水落石出。
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经过初步的研究，委员会发现大桥在设计上存在不可忽视缺陷。7 x5 }3 U" H9 c% l
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3 e0 \. p4 @4 W# V( x, ?7 {0 U' S首先塔科马大桥主跨长853.4米，桥宽却只有可怜的11.9米，这在同时期的悬索桥上是十分罕见的。不仅桥面过于狭窄，只有2.4米高的钢梁也无法使桥身产生足够的刚度。1 u% S' k( o- M8 B$ x
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) `8 g3 U0 O0 D' |8 ^, o: G3 F2 D刚度——物体抵抗变形的能力. k; ^6 t5 H! I( @0 ]: x$ ]; N' V
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其次在原计划中，风可以从桁架梁之间自由穿过。但换成普通的钢梁后，风则只能从桥上下两面通过。7 Y2 c8 M# C1 b. ]
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再加上大桥两边的墙裙采用了实心钢板，横截面构成H形结构，对风的阻挡效果将更加明显。
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然而，对于塔科马大桥坍塌的准确理论原因，专家们并没有达成统一意见。一部分工程师认为塔科玛桥的振动类似于机翼的颤振。( b) Z5 f' T2 | B+ h* B9 o
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8 r- D) U0 D+ S% v以卡门为代表的另一派专家则认为，塔科玛大桥的桥身是H型断面，和流线型的机翼不同。
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" Y- `5 P' M# g7 [9 }
* P9 h! I4 ~% h- g' g8 U经过加州理工学院风洞内的模型测试后，卡门猜测这场灾难源于一种现象——卡门涡街。' ~5 W8 K& l. c
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& ]; ?; W6 ]% q* c7 _4 o. A& M. f1 C7 _
& h J9 U+ P5 G' x; A! `% S这是一个在自然界广泛存在的现象。& \* n8 _/ k0 e
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5 f; [3 W( i5 ~' |! S. ?; O比如在水流中插一根木桩，在特定条件下木桩下游的两侧，会产生两道非对称排列的旋涡。这两排旋涡旋转方向相反，相互交错排列，就像街道两边的街灯一样。
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从太空俯瞰智利海岸的卡门涡街% E/ C$ }9 t& {
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在这次事故中，桥两边的钢板就像是水流中的木桩。当风形成的高速漩涡不断从桥身两边脱离时，会对桥身产生一个交替的侧向力。# B3 p+ N# D, f' _
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卡门涡街是有规律的周期性现象，也就是说漩涡的形成和侧向力的作用，是具有一定频率的。
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- Y5 g3 q/ ?( _1 u塔科马大桥本身也有自己的频率，当两个频率接近的时候便会发生共振。而发生共振的后果，现在大家都知道了。
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经过一番计算和实验，卡门的分析果然得到了证实。
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大桥坍塌的画面被当地照相馆的老板巴尼·埃利奥特（Barney Elliott）用16mm胶片记录了下来。
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这段珍贵的视频资料被美国国会图书馆选定保存在美国国家电影登记处，被称：
i* L. r4 W/ G& ~3 p% s7 `. P"在文化、历史和审美学方面有着重要意义"。* R% F. _0 G7 L* p3 X5 u
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O$ M; E+ a" J9 `: [0 @同时也成为建筑工程学学生最好的课堂教育片之一。# O! m0 j' k( I
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如今沉睡在塔科马海峡底部的大桥残骸，变成了世界上最大的人工珊瑚礁。数量众多的巨型太平洋章鱼选择在这里安家。% T j5 s- i: `$ u, |
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1 h5 b1 d+ n$ i* J2 H' H而在遗址上方是两座新的悬索桥，负责连接塔科马与吉格港两地川流不息的车流。它们将继续完成第一座塔科马海峡大桥的工作。7 d7 d% e, s% D( P8 w" J4 w2 k
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4 ?; T8 N! t2 O! r0 c/ Q% t7 o当然我们也不能过多地指责建造大桥的工程师们。
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那个年代的人们对悬索桥的空气动力学特性知之甚少，因此这场灾难在当时来说基本上是无法预测的。
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! ^3 J& o) U2 ?" B( |# X* y而正是塔科马海峡大桥的坍塌引发了全世界科学家对风振问题的研究，促成桥梁风工程等各种新学科的建立。6 T8 @4 X: w! z& {& b1 @1 _0 A h( ?
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桥梁断面
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如今我们建造大型桥梁时，可以通过修改结构断面形状或安装空气稳定装置，来改善绕过断面的气流。也可以通过安装阻尼器等方式减小桥梁的振动，使桥梁更加地安全耐用。
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对桥梁风振问题的研究，使人类近几十年来得以不断突破桥梁的跨度记录。& @2 ^ X: M4 I5 K V& O6 X
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塔科马海峡大桥的倒塌，成为了后世桥梁建造的基石。指引着一代代工程师在经验教训中不断前行。 k! l9 ~, i& }& K
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