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早在1889年,人們就提出了在塔科馬海峽(位于美國華盛頓州塔科馬市)上為北太平洋鐵路建造棧橋的建議,并得到了美國軍方的大力支持。然而由于資金問題,塔科馬海峽大橋的建造計(jì)劃直到1937年才步入正軌。
按照初步計(jì)劃,聯(lián)邦政府公共工程管理處需要撥款1100萬美元用于建造大橋。但是來自紐約的極負(fù)盛名的工程師萊昂·莫伊塞夫說,可以用2~4米的普通鋼梁替換原計(jì)劃中6米的桁架梁,這樣不僅可以把成本降至6400萬美元,還可以使大橋更加纖細(xì)優(yōu)雅。
原本大橋設(shè)計(jì)的抗風(fēng)能力能達(dá)到193千米/小時(shí)(12級(jí)以上的大風(fēng)),但是大橋吊裝合龍完成后,只要有小風(fēng)吹來,大橋主跨就會(huì)有輕微的起伏。不過,這并沒有引起人們過多的擔(dān)心。在他們看來,滿足設(shè)計(jì)要求的塔科馬大橋是安全且可靠的。
1940年7月1日,塔科馬海峽大橋如期建成通車。它是當(dāng)時(shí)美國第三大懸索橋,被稱為“工程界的珍珠港”。但人們很快發(fā)現(xiàn),大橋遇風(fēng)就會(huì)搖晃,而且波動(dòng)的幅度不同尋常。于是一些專業(yè)人員被派到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè)。
其后幾個(gè)月中,橋面的波動(dòng)幅度不斷加大。大橋管理部門嘗試過用捆綁纜繩、安裝液壓緩沖器的方式去減低波動(dòng),但都沒有效果。
一次,記者里奧納德·科茨沃斯正駕車駛過塔科馬大橋,忽然,大橋路面的一側(cè)被風(fēng)掀了起來,引起橋身劇烈扭動(dòng),科茨沃斯趕緊將車停在距離東塔137米的地方。他跌跌撞撞地爬下汽車,大橋開始像麻花一樣來回扭動(dòng),他的耳邊充斥著混凝土撕裂的聲音。瘋狂的扭動(dòng)使得路面一側(cè)翹起達(dá)8.5米,傾斜達(dá)到45度,汽車在路面上來回滑動(dòng)。而這時(shí)科茨沃斯只能靠著手和膝蓋爬行逃生。
當(dāng)他拼盡全力到達(dá)安全地帶后,回頭目睹了一生難忘的景象。承受著大橋重量的吊索接連斷裂。他的車隨著一百二十多米的大橋主體轟然墜入塔科馬海峽,激起了一大片煙塵。此時(shí)離大橋建成通車僅四個(gè)月。
值得慶幸的是,作為20世紀(jì)最嚴(yán)重的工程設(shè)計(jì)錯(cuò)誤之一,塔科馬海峽大橋坍塌沒有造成人員傷亡,但科茨沃斯車?yán)锏膶櫸锕凡恍页闪耸鹿手形ㄒ坏臓奚摺?/p>
大橋坍塌后,美國組建了一個(gè)事故調(diào)查委員會(huì),其成員就包括空氣動(dòng)力學(xué)家馮·卡門。經(jīng)過初步研究,委員會(huì)發(fā)現(xiàn)大橋在設(shè)計(jì)上存在不可忽視的缺陷。不僅橋面過于狹窄,鋼梁也無法使橋身產(chǎn)生足夠的剛度(物體抵抗變形的能力)。其次,在原計(jì)劃中,風(fēng)可以從桁架梁之間自由穿過。但換成普通的鋼梁后,風(fēng)只能從橋上下兩面通過……
經(jīng)過模型測(cè)試后,卡門證明這場(chǎng)災(zāi)難源于一種現(xiàn)象—卡門渦街。比如在水流中插一根木樁,木樁下游的兩側(cè)往往會(huì)產(chǎn)生兩排漩渦,像路兩邊的街燈一樣排列著。在這次事故中,橋兩邊的鋼板就像是水流中的木樁。當(dāng)風(fēng)形成的高速漩渦與塔科馬大橋發(fā)生共振,大橋便會(huì)隨風(fēng)舞動(dòng)甚至坍塌。
大橋坍塌的畫面被當(dāng)?shù)卣障囵^的老板用膠片記錄了下來,保存在美國國家電影登記處,同時(shí)也成為建筑工程學(xué)學(xué)生最好的課堂教育片之一。
雖然以莫伊塞夫?yàn)槭椎拇髽蛟O(shè)計(jì)師們的職業(yè)生涯因此走到了盡頭,但也不能過多地指責(zé)他們,那個(gè)年代的人們對(duì)懸索橋的空氣動(dòng)力學(xué)特性知之甚少,因此這場(chǎng)災(zāi)難在當(dāng)時(shí)來說基本上是無法預(yù)測(cè)的。而正是塔科馬海峽大橋的坍塌引發(fā)了全世界科學(xué)家對(duì)風(fēng)振問題的研究,促成了橋梁風(fēng)工程等各種新學(xué)科的建立。塔科馬海峽大橋的倒塌,成為后世橋梁建造的基石,指引著一代代工程師在經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)中不斷前行。