由钢筋水泥铸就的大桥是十分坚固的,特别是那些集各种“黑科技”于一身的跨海大桥,更是可以顶住强烈台风的吹袭。
比如我们的港珠澳大桥,其设计最高抗风就达到了16级,也就是说即便是16级的台风也奈何不了它。那么,如果说有一座海峡大桥,被普通的风吹一吹就垮掉了,这会是什么原因呢?我们第一个想到的就是这座桥存在着质量问题。但事实上就有着这样一座桥,从设计到建造都没有任何问题,可它就是在建成四个月后轻易地被风吹毁了,这座桥就是“塔科马海峡大桥”,事实上这座桥从建成伊始就一直在微风的吹拂下晃动,只不过人们没有想到这样一座并没有明显质量问题的大桥,最终真的会塌掉。
塔科马海峡大桥到底为什么会被风吹毁呢?这源于一种流体力学现象,该现象被称之为“卡门涡街”。
什么是卡门涡街呢?假设现在有一条平直的小河,河水平稳地向前流去,此时如果我们在这条河的中心插上一根圆木,会发生什么呢?我们通常会给出这样的答案:河水会因圆木的阻碍而分叉,一部分从圆木的左侧流过,一部分从圆木的右侧流过,在分叉流过圆木之后,两股水流又会重新汇聚在一起,继续平稳地向前流淌。这是一种想当然的答案,但符合我们的常识与逻辑,所以不光我们这样认为,冯·卡门的导师路德维希·普朗特也是这样认为的。
普朗特为了研究层流现象,而让他的学生制作了一个类似于小河中间插圆木的装置,但无论怎么改进,都没能呈现出想象中水流分叉再汇聚的情形。
普朗特认为是实验装置的制作不够完美,但冯·卡门却有着自己的看法。冯·卡门通过观察发现,水流在受到圆木的阻碍后,会在流过圆木之后形成交错推进的漩涡。简单描绘一下就是,水流先是快速从圆木左侧通过,并在通过后形成一个下旋漩涡,然后水流又会快速通过圆木右侧,将第一个形成的漩涡推远,进而形成一个上旋漩涡,就这样,水流交错从圆木两侧通过并形成漩涡,这些漩涡又会被新形成的漩涡推远,冯·卡门将这种现象称之为“卡门涡街”。
卡门涡街的出现会导致另一个现象的发生,那就是圆木的振动。
圆木为什么会振动呢?这是由于“伯努利原理”。伯努利原理说明在流动的液体或气体中,流体的流动速度越快,则压强越小,反之流动速度越慢,则压强越大。当卡门涡街现象发生时,水流先快速从圆木左侧流过,此时圆木左侧的流速快,所以压强小,而右侧的流速慢,所以压强大,于是圆木会被向左推,然后水流又快速通过圆木右侧,于是右侧压强小,而左侧压强大,于是圆木又会被向右推,在这种左右力量的相互作用下,圆木就产生了振动。
塔科马大桥是一座十分壮观的海峡大桥,其长度达到了1524米,但是桥面宽度却只有11.9米,可以说整座桥是又细又长,这就为其日后被风吹毁埋下了第一个隐患。
悬索大桥一般都会在桥梁两侧安装桁架梁,这是一个基本配置,而塔科马海峡大桥也不例外,在它的原始设计中的确存在着一个7.6米的桁架梁,但是由于经费紧张,当时著名的悬索桥设计师莫伊塞夫就将其改为了2.4米的钢板。莫伊塞夫认为,这样改动不仅能够极大降低桥梁的建造成本,还能够增加桥梁的刚性。毫无疑问,莫伊塞夫的看法是完全正确的,只不过他忽略了桁架梁的特点就是“透风”,而钢板不透风。
不久之后,大桥建成了,桥梁两侧的钢板阻挡了气流的通过,于是卡门涡街现象出现了,大桥从建成开始就一直在不停晃动。
桥梁虽然在晃,但人们并不觉得危险,反而还成了个观光胜地,直到4个月之后,由于桥梁晃了太长时间,所以一根钢缆发生了断裂,于是桥梁由晃动转为扭动,最终塌掉了。大桥垮塌之后,对于整个塌桥事故进行了调查,结果发现从设计到建造都没有问题,于是决定按照原来的方案再重新建造一个,此时冯·卡门也注意到了这件事,并进行了计算,计算结果显示塌桥是必然的,于是急忙写信阻止了重蹈覆辙。
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