桥梁工程作业塔克玛大桥

1.风荷载如何作用塔克玛大桥

研究的结果说明，是桥上竖直方向的桥面板引发了桥的振动，它对风的阻力专门大，风被挡以后，大量的气流便从桥面板的上方通过然后压向桥面。由于吹过的气流因不断地被屈折而使速度增加，因此在桥面板的上方和下方压力降低。若是风老是从桥梁横向的正前方吹来，那倒没关系，因为上下方的压力降低会相互抵消。可是，若是风的方向不断地变换的话，压力就会不断地转变。这一压力差作用在整个桥面上，并因挡风的竖直结构板后所产生的涡流而取得增强，结果桥就开始形成波浪式振动，过大的振动又拉断了桥梁结构，最终使桥梁坍塌。

和常识相悖，乃至和你在过去的书中看到的不同，大桥并非是因为风和桥发生的共振所倒塌的。事实上这是因为气体发生了弹性震颤，简单来讲确实是风使物体发生形变，那个形变会引发更大的形变，而这足以冲破物体的刚性临界点，损坏物体。若是风持续不断，建筑物蒙受的阻碍将慢慢升级，直至坍塌。

大桥的倒塌发生在一个此前从未见过的扭曲形式发生后，那时的风速大约为每小时40英里。这确实是力学上的扭转变形，中心不动，两边因有扭矩而扭曲，并非断振动。这种振动是由于空气弹性颤振引发的。颤振的显现使风对桥的阻碍愈来愈大，最终桥梁结构像麻花一样完全扭曲了。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。随着愈来愈多的钢缆断裂，最终桥面经受不住重量而完全倒塌了。

2.塔克玛大桥在抗风性能方面有哪些设计缺点

塔科马大桥的结构中很重要的特点是加劲梁没有采纳桁架结构，而是采纳钢板梁，大桥重量得以减轻许多。桥边墙裙采纳实心钢板。两边墙裙与桥面组成H 形结构。大桥边缘的钝形结构，成了挡风的墙，为在必然条件下形成冯•卡尔曼涡脱预备了空间物理条件。再一个特点确实是塔科马大桥跨宽比为1:72，与同类大桥相较大桥，例如1935 年建成的乔治华盛顿大桥跨宽比为1:33，1937 年建成的金门大桥为1:47，1939 年建成的布朗克斯白石大桥为1:31。可见塔科马大桥的桥面过于狭小。这点几乎确实是塔科马大桥的命门。(三) 桥身结构缺点

1) 闻名的金门大桥设计总顾问莫伊塞夫为使大桥更优雅，更具观赏性，建议采纳8 英尺（约米）深的浅支撑梁，大桥最终采纳了莫伊塞夫的设计方案。此方案利用的钢梁变窄，可是路基刚度大为下降，从而埋下了致命的隐患。2) 由于横向共振现象，相对温和的小风吹来，大桥主跨就会有轻微的上下起伏，沿着桥长方向扭曲，桥面的一端上升，另一端下降。在桥上驾车的司机，能够看到桥的另一端上的汽车随着桥面的跳动，可是设计师们以为这种波动可不能引发严峻后果，并误信结构上是平安的。全然没有想到过大桥的纵向振动问题，即大桥两边的扭动。3) 华盛顿大学的法库哈逊应邀在昔时9 月到11 月初接踵用风洞对8 英尺长和54 英尺长的大桥模型进行实验测试，研究大桥扭振缘故

和补救方法。法库哈逊从实验中嗅出大桥扭振的潜在破坏性，提出临时捆绑缆绳到边跨，以减少跳动。后来又提出在大桥边墙裙上挖洞，并在墙裙外安装一些倾斜的挡板，用意改变风对大桥的严峻阻碍。大桥治理部门起草方案预备采取补救施工，可是还来不及补救，大桥就坍塌了。(四) 缘故分析

1. 塔科马大桥设计中存在一些致命的缺点，相关于主跨长度而言，路基过窄，它的跨宽比是所有大跨度悬索桥中最大的，大桥路基两边实心的板状墙裙和路基材料硬度不够。因此塔科马大桥具有两大全然缺点，实心墙裙成了挡风之墙，垂直方向过度柔软，容易引发扭曲。

2. 众口纷纭的坍塌缘故1) 随机湍流简单说来，初期有人以为风压形成一种强迫力，强迫力频率与大桥的固有频率相同或相近，产生大尺度振荡。实际观看中，大桥的振荡是稳固振荡，而湍流却随时刻发生无规那么转变，难以说明。2) 周期性涡旋脱落冯•卡尔曼以为，塔科马桥的主梁有着钝头的H 型断面，和流线型的机翼不同，存在着明显的涡旋脱落，应该用涡激共振机理来讲明。冯•卡尔曼1954 年在《空气动力学的进展》一书中分析：塔科马海峽大桥的损坏，是由周期性旋涡的共振引发的。20 世纪60 年代以来，很多计算和实验，为冯•卡尔曼的分折提供了证据。可是，实际观看

说明大桥的扭振频率为Hz，而有的模型计算说明，旋涡脱落频率为1 Hz。频率的5 倍差距，致使涡旋脱落作为理论说明的主因，不尽中意。3) 空气动力不稳固性引发的自激颤振假定以大桥的半跨进行分析，风往往不是完全沿水平方向吹向大桥桥面，比如从下往桥面向上吹，形成仰角，下面风压高于上面的气压，产生升力，桥面开始顺时针扭转，迎风的前缘向上转，后缘向下转。同时桥面的弹性产生应力，使桥面反方向扭转，而且越过原先位置。这时，桥眼前缘在下，后缘在上，上面风压高于下面的气压，产生升力，使桥面开始逆时针扭转。那个进程一再反复，大桥不断地来回振荡。以至大桥材料疲劳超过极限，最终坍塌。4) 最终罪魁——卡尔曼涡旋塔科马大桥桥面和梁组成H 型几何外形。桥边实心板状墙裙确实是钝状阻碍物，风吹到桥边时碰到板状墙裙，气流流过板墙被分成两股，别离在桥的上下两个半H 后面形成尾流。当风速达到42 英里/小时（约19 m/s）时，雷诺数超过100。那个尾流中涡旋开始脱落，由于桥面上下两边墙裙高度不一样，因此两边脱落的涡旋大小、速度不一样，在桥面两边产生压力差。因此这时，大桥左侧下面的涡旋压力大于大桥左侧上面的涡旋压力，大桥半主跨的左侧往上翘起。一旦翘起，风与大桥形成仰角，风又形成一个压力，当即增大对大桥的升力。脱落涡旋向前运动，这时黄色涡旋在大桥右边下面，红色涡旋在大桥右边上面。大桥右边上面的涡

旋压力大于大桥左侧下面的涡旋压力，继续增大左侧向上、右边向下的幅度。形成正反馈。大桥本身具有必然扭曲刚度，使得大桥桥面反弹。涡脱有必然的周期性，交替显现。这时，若是涡脱频率与大桥扭振频率一致，情形正好反过来，左侧向下、右边向上，形成横向振动。启发：关于咱们理工科学生来讲，塔科马大桥坍塌事件是给咱们的一个警钟，差之毫厘，谬之千里，因此认真谨慎是咱们这些学习

工程设计的学生大体素养。另外，这一事件还告知咱们实验是必要的，任何生产在实施之前都要考虑各类因素的阻碍以减小事故发生率。知错能改，善莫大焉。因此在发觉错误时及时熟悉到错误，并予以更正和补救是万分重要的，亡羊补牢为时晚矣。

3.结合现代悬索桥的设计谈一谈悬索桥抗风设计中应考虑哪些因素悬索桥跨度大幅度增加带来的要紧问题是结构刚度的急剧下降，这使得风致振动对桥梁平安性的阻碍加倍重要，而阻碍风振性能最关键的因素确实是抗风稳固性，即桥梁颤振稳固性。桥梁颤振是一种发散性的自激振动，是在结构的惯性力、阻尼力、弹性力和自激气动力一起作用下所发生的一种空气动力失稳现象。其中，结构的惯性力、阻尼力和弹性力反映了结构的动力特性，而自激气动力要紧与结构断面的气动外形有关。因此，改善大跨度悬索桥抗风稳固性能的探讨要紧从以下三个方面着手，即提高系统整体刚度、操纵结构振动特性和改善断面气动性能。

大跨度悬索桥的结构刚度要紧来自于主缆，因此提高结构整体刚度的着眼点应放在主缆上。通过调整主缆同加劲梁的相对位置和增加特定的水平和横向的辅助索能够达到提高结构抗扭刚度和扭转振动频率的目的[3]，而颤振临界风速同桥梁扭转频率和扭弯频率比直接相关，因此这种方式对提高大跨和超大跨悬索桥的颤振稳固性也是行之有效的。另外，有的学者还提出应用空间索系来提高悬索桥的侧向和扭转刚度[4]，尽管在理论上超级有效，但由于施工的过于复杂目前很难付诸实施。

1．水平辅助索

利用水平辅助索能够提高悬索桥的抗扭刚度从而提高扭转振动频率。因为加劲梁扭转模态振动时两根主缆作异相抖动，表现为沿着桥梁轴线的反对称运动，而水平辅助索将有效地抑制这种主缆的反对称抖动，从而提高结构的抗扭刚度。其成效类似于桥塔抗扭刚度的增强。

2．横向辅助索

横桥向布置的辅助会对也可增强悬索桥的扭转刚度。

这些辅助索的一起成效在于将加劲梁的扭转振动同侧向水平振动在必然程度上耦合起来（扭转中心上升），从而提高结构整体抗扭刚度。当主梁扭转时由于横向辅助索的约束使主梁的扭转运动老是伴随着主缆的运动和加劲梁的侧向水平运动，对相同荷载作用下的扭转振动而言振幅取得了必然的操纵，扭转刚度也取得了提升。