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鋼筋水泥的海峽大橋,怎麽會輕易被風吹毀?

由鋼筋水泥鑄就的大橋是十分堅固的,特別是那些集各種“黑科技”於壹身的跨海大橋,更是可以頂住強烈臺風的吹襲。比如我們的港珠澳大橋,其設計最高抗風就達到了16級,也就是說即便是16級的臺風也奈何不了它。那麽,如果說有壹座海峽大橋,被普通的風吹壹吹就垮掉了,會是什麽原因呢?

塔科馬海峽大橋到底為什麽會被風吹毀呢?

我們第壹個想到的就是這座橋存在著質量問題。但事實上就有著這樣壹座橋,從設計到建造都沒有任何問題,可它就是在建成四個月後輕易地被風吹毀了,這座橋就是“塔科馬海峽大橋”,事實上這座橋從建成伊始就壹直在微風的吹拂下晃動,只不過人們沒有想到這樣壹座並沒有明顯質量問題的大橋,最終真的會塌掉。

這源於壹種流體力學現象,該現象被稱之為“卡門渦街”。什麽是卡門渦街呢?假設現在有壹條平直的小河,河水平穩地向前流去,此時如果我們在這條河的中心插上壹根圓木,會發生什麽呢?我們通常會給出這樣的答案:河水會因圓木的阻礙而分叉,壹部分從圓木的左側流過,壹部分從圓木的右側流過,在分叉流過圓木之後,兩股水流又會重新匯聚在壹起,繼續平穩地向前流淌。

這是壹種想當然的答案,但符合我們的常識與邏輯,所以不光我們這樣認為,馮·卡門的導師路德維希·普朗特也是這樣認為的。普朗特為了研究層流現象,而讓他的學生制作了壹個類似於小河中間插圓木的裝置,但無論怎麽改進,都沒能呈現出想象中水流分叉再匯聚的情形。普朗特認為是實驗裝置的制作不夠完美,但馮·卡門卻有著自己的看法。

馮·卡門通過觀察發現,水流在受到圓木的阻礙後,會在流過圓木之後形成交錯推進的漩渦。簡單描繪壹下就是,水流先是快速從圓木左側通過,並在通過後形成壹個下旋漩渦,然後水流又會快速通過圓木右側,將第壹個形成的漩渦推遠,進而形成壹個上旋漩渦,就這樣,水流交錯從圓木兩側通過並形成漩渦,這些漩渦又會被新形成的漩渦推遠,馮·卡門將這種現象稱之為“卡門渦街”。

圓木的振動

卡門渦街的出現會導致另壹個現象的發生,那就是圓木的振動。圓木為什麽會振動呢?這是由於“伯努利原理”。伯努利原理說明在流動的液體或氣體中,流體的流動速度越快,則壓強越小,反之流動速度越慢,則壓強越大。當卡門渦街現象發生時,水流先快速從圓木左側流過,此時圓木左側的流速快,所以壓強小,而右側的流速慢,所以壓強大,於是圓木會被向左推,然後水流又快速通過圓木右側,於是右側壓強小,而左側壓強大,於是圓木又會被向右推,在這種左右力量的相互作用下,圓木就產生了振動。

原始設計有隱患

塔科馬大橋是壹座十分壯觀的海峽大橋,其長度達到了1524米,但是橋面寬度卻只有11.9米,可以說整座橋是又細又長,這就為其日後被風吹毀埋下了第壹個隱患。

懸索大橋壹般都會在橋梁兩側安裝桁架梁,這是壹個基本配置,而塔科馬海峽大橋也不例外,在它的原始設計中的確存在著壹個7.6米的桁架梁,但是由於經費緊張,當時著名的懸索橋設計師莫伊塞夫就將其改為了2.4米的鋼板。莫伊塞夫認為,這樣改動不僅能夠極大降低橋梁的建造成本,還能夠增加橋梁的剛性。毫無疑問,莫伊塞夫的看法是完全正確的,只不過他忽略了桁架梁的特點就是“透風”,而鋼板不透風。

不久之後,大橋建成了,橋梁兩側的鋼板阻擋了氣流的通過,於是卡門渦街現象出現了,大橋從建成開始就壹直在不停晃動。橋梁雖然在晃,但人們並不覺得危險,反而還成了個觀光勝地,直到4個月之後,由於橋梁晃了太長時間,所以壹根鋼纜發生了斷裂,於是橋梁由晃動轉為扭動,最終塌掉了。

大橋垮塌之後,對於整個塌橋事故進行了調查,結果發現從設計到建造都沒有問題,於是決定按照原來的方案再重新建造壹個,此時馮·卡門也註意到了這件事,並進行了計算,計算結果顯示塌橋是必然的,於是急忙寫信阻止了重蹈覆轍。

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