大橋耗資百萬，通車僅4個月竟被大風吹斷，卻成為建造史上的裡程碑
來源：SME（ID：SMELab）
2017年的年末，歷時8年的大工程港珠澳大橋終於要竣工瞭。完成這個超級工程並不簡單，中國也因此再次鞏固瞭在橋梁建造領域的絕對領先地位。
不過，縱使我們擁有世界最頂尖的技術，也無法杜絕橋梁垮塌的事故。在世界橋梁史上，有通車不久就被超載貨車壓垮的，有在建造時就垮塌的，還有被洪水沖垮的。
然而，還有一種最為奇特的垮塌方式——被風吹垮。
半個多世紀前，美國的一座海峽大橋就以這樣的方式結束瞭生命。令人匪夷所思的是，吹垮大橋的風不過區區8級而已。
通車4個月，被海邊常見的大風輕易吹垮，這座大橋似乎會淪為笑柄。然而，它的犧牲卻成為瞭橋梁史上的經典，頻頻被收錄在各種工程教科書中。
塔科馬海峽大橋
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備受矚目的"美國第三大懸索橋"
塔科馬海峽大橋，對很多人來說是一個陌生的名字。但是，它在風中詭異扭動的畫面，卻廣為流傳。如果事先沒有瞭解過，你一定不會相信自己的眼睛。
這座橋在當時是美國第三大懸索橋，一度被稱為"工程界的珍珠港"。設計師是業界精英，曾先後參與各著名大橋的建造；建築工人也兢兢業業，絕不存在偷工減料違規造假。
但時，這些都無法阻止，大橋建成開通僅4個月後，就在人們驚恐的註視中墜入海峽。萬幸的是，作為20世紀最嚴重的工程設計錯誤之一，它坍塌時卻沒有造成任何人傷亡。
早在1889年，人們就提出瞭在塔科馬海峽上為北太平洋鐵路建造棧橋的建議。
由於大橋的建成將大大方便海軍在佈雷默頓的造船廠和陸軍在塔科馬的軍事基地的交通，橋的建設也得到瞭美國軍方的大力支持。
然而，由於涉及資金問題，塔科馬海峽大橋的建造計劃直到1937年才步入正軌。
按照初步計劃，聯邦政府公共工程管理處（PWA）需要撥款1100萬美元，用於建造大橋。但是，來自紐約的工程師萊昂·莫伊塞夫（Leon Moisseiff）認為，他有更好的辦法。
萊昂·莫伊塞夫（右一）
莫伊塞夫1985年畢業於哥倫比亞大學，僅3年後便加入紐約市橋梁部門，並參與到20世紀20至30年代幾乎所有大型懸索橋的設計中。他曾發表一篇關於曼哈頓大橋建造的文章，這篇文章迅速為他贏得瞭國際聲譽，在工程界極負盛名。
建造中的曼哈頓大橋
莫伊塞夫相信自己可以把懸索橋建得比以往更輕、細、長。這個想法在他對塔科馬海峽大橋的設計方案中得到瞭充分體現。
塔科馬海峽大橋施工圖紙
莫伊塞夫打算采用2.4米的普通鋼梁代替原計劃中7.6米的桁架梁。這不僅將建造成本大幅降低至640萬美元，還使得大橋更加的纖細優雅。可是莫伊塞夫沒有想到，方案正式獲得通過，也意味著他的職業生涯即將走到盡頭。
桁（héng）架——由桿件連接成的空間結構
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當大橋隨風起伏，人們嚼著檸檬克服眩暈
原本大橋設計的抗風能力達到120英裡/小時。但是，在大橋吊裝合攏完成後，隻要有4英裡/小時的相對溫和的小風吹來，大橋主跨就會有輕微的上下起伏。
大橋的纜索
不過，這種起伏的現象沒有引起人們過多的擔心。橋上施工的工人還發明瞭咀嚼檸檬這樣的辦法，來抵禦上下顛簸帶來的眩暈感。在他們看來，滿足設計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。在通車之前，大橋就已經出現遇風搖晃的情況，這吸引瞭不少民眾專門驅車來一探究竟。
而人們很快發現，大橋波動的幅度有點不同尋常。甚至當人在橋上駕車時，可以見到遠處的汽車隨著橋面的起伏，一會兒消失一會兒又出現。
工程師們也註意到瞭這個問題，一些專業人員被派遣到現場進行實地監測。其後幾個月中，橋面的波動幅度不斷增加。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，減少其對行車的影響，但沒有取得成功。
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傾斜達45度，大橋轟然墜入海峽
1940年11月7日上午，風兒似乎比以往更要喧囂一些。技術人員在7：30測得風速38英裡/小時，兩小時後達到42英裡/小時，大橋出現的波浪形起伏竟達1米多。
這時，記者裡奧納德·科茨沃斯（Leonard Coatsworth）正駕車駛過塔科馬大橋。車後座上是他的寵物狗，隻有三條腿的黑色卡賓犬Tubby。兩者都對接下來要發生的事渾然不知。
科茨沃斯——橋上最後一人
毫無預兆下，大橋路面的一側突然被風掀瞭起來。這引起瞭橋身側向激烈的扭動，和之前的起伏情況大不相同。在橋面過於劇烈的波動下，科茨沃斯被迫將車停在距離東塔137米的地方。而他停車的地方距離收費站有578米。
科茨沃斯跌跌撞撞地爬下汽車，大橋開始像麻花一樣來回扭動，他的耳邊充斥著混凝土撕裂的聲音。瘋狂的扭動使得路面一側翹起達8.5米，傾斜達到45度。
大部分時候科茨沃斯隻能靠著手和膝蓋爬行，可來回波蕩的路面讓逃生變得異常艱難。當他拼盡全力到達安全地帶後，回頭目睹瞭一生難忘的景象。
承受著大橋重量的吊索接連斷裂，失去瞭拉力的橋面就像一條發怒的蟒蛇在空中奮力掙紮。建成通車僅四個月後，120多米的大橋主體轟然墜入塔科馬海峽，激起瞭一大片煙塵。
這次事件沒有造成人員傷亡。盡管科茨沃斯與朋友多次嘗試營救，車裡的卡賓犬仍然成為瞭事故唯一的犧牲者。
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調查：大橋設計存在不可忽視的缺陷
大橋坍塌後，美國組建瞭一個事故調查委員會。其中成員就包括空氣動力學傢馮·卡門（Theodore von Kármán）。
卡門是匈牙利猶太人，1930年移居美國後負責指導古根海姆氣動力實驗室和加州理工大學第一個風洞的設計和建設。NASA著名的噴氣推進實驗室（JPL）亦是由他創建。
風洞實驗室
生活中的卡門是一個幽默健談的人。在我國科學傢錢學森赴美留學期間，卡門曾作為他的導師，兩人感情十分深厚。
也正是由於卡門的調查，才使得塔科馬海峽大橋事故的原因水落石出。
馮·卡門
經過初步的研究，委員會發現大橋在設計上存在不可忽視缺陷。
首先塔科馬大橋主跨長853.4米，橋寬卻隻有可憐的11.9米，這在同時期的懸索橋上是十分罕見的。不僅橋面過於狹窄，隻有2.4米高的鋼梁也無法使橋身產生足夠的剛度。
剛度——物體抵抗變形的能力
其次在原計劃中，風可以從桁架梁之間自由穿過。但換成普通的鋼梁後，風則隻能從橋上下兩面通過。再加上大橋兩邊的墻裙采用瞭實心鋼板，橫截面構成H形結構，對風的阻擋效果將更加明顯。
然而，對於塔科馬大橋坍塌的準確理論原因，專傢們並沒有達成統一意見。—部份工程師認為塔科瑪橋的振動類似於機翼的顫振。以卡門為代表的另一派專傢則認為，塔科瑪大橋的橋身是H型斷面，和流線型的機翼不同。
經過加州理工學院風洞內的模型測試後，卡門猜測這場災難源於一種現象——卡門渦街。
這是一個在自然界廣泛存在的現象。比如在水流中插一根木樁，在特定條件下木樁下遊的兩側，會產生兩道非對稱排列的旋渦。這兩排旋渦旋轉方向相反，相互交錯排列，就像街道兩邊的街燈一樣。
從太空俯瞰智利海岸的卡門渦街
在這次事故中，橋兩邊的鋼板就像是水流中的木樁。當風形成的高速漩渦不斷從橋身兩邊脫離時，會對橋身產生一個交替的側向力。
卡門渦街是有規律的周期性現象，也就是說漩渦的形成和側向力的作用，是具有一定頻率的。塔科馬大橋本身也有自己的頻率，當兩個頻率接近的時候便會發生共振。
而發生共振的後果，現在大傢都知道瞭。
經過一番計算和實驗，卡門的分析果然得到瞭證實。
大橋坍塌的畫面被當地照相館的老板巴尼·埃利奧特（Barney Elliott）用16mm膠片記錄瞭下來。
這段珍貴的視頻資料被美國國會圖書館選定保存在美國國傢電影登記處，被譽為："在文化、歷史和審美學方面有著重要意義"。同時也成為建築工程學學生最好的課堂教育片之一。
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教訓深刻，成為後世橋梁建造的基石
如今沉睡在塔科馬海峽底部的大橋殘骸，變成瞭世界上最大的人工珊瑚礁。數量眾多的巨型太平洋章魚選擇在這裡安傢。
而在遺址上方是兩座新的懸索橋，負責連接塔科馬與吉格港兩地川流不息的車流。
它們將繼續完成第一座塔科馬海峽大橋的工作。
當然我們也不能過多地指責建造大橋的工程師們。那個年代的人們對懸索橋的空氣動力學特性知之甚少，因此這場災難在當時來說基本上是無法預測的。
而正是塔科馬海峽大橋的坍塌引發瞭全世界科學傢對風振問題的研究，促成橋梁風工程等各種新學科的建立。
橋梁斷面
如今我們建造大型橋梁時，可以通過修改結構斷面形狀或安裝空氣穩定裝置，來改善繞過斷面的氣流。也可以通過安裝阻尼器等方式減小橋梁的振動，使橋梁更加地安全耐用。
對橋梁風振問題的研究，使人類近幾十年來得以不斷突破橋梁的跨度記錄。
塔科馬海峽大橋的倒塌，成瞭後世橋梁建造的基石。指引著一代代工程師在經驗教訓中不斷前行。
作者系網易新聞·網易號"各有態度"簽約作者
延伸閱讀
CNN評選世界24座最美大橋，中國五座大橋上榜
今年8月，美國媒體美國有線電視新聞網(CNN)評選瞭世界上24座最美大橋，從羅馬帝國的橋梁古跡到新加坡最新的"DNA橋"，縱貫千年，遍佈全球。
其中中國以青馬大橋、杭州灣大橋、南浦大橋、盧浦大橋和三江風雨橋共五座獨占鰲頭，占到二成多。
下面，請跟著小編看看CNN是如何評點這五座橋的：
1、青馬大橋
青馬大橋跨海連島，塔架高啟，氣勢恢宏。
隻要您坐飛機去香港，一定會路過青馬大橋。青馬大橋和汲水門大橋將市區、青衣、大嶼山島（機場所在地）連接在一起，是從機場進入市區的必經之地。青馬大橋作為世界最長的行車鐵路雙用懸索式吊橋，共耗資72億港幣，於1997年通車。
由於香港經常遭到臺風侵擾，因此青馬大橋具有極佳的抗風性能。上層橋面中部與下層橋面路軌兩側均設有通氣空格，能夠在強風來襲時保證車輛安全通行。青馬大橋作為"香港機場核心計劃"的一部分，於1999年榮獲美國建築界"二十世紀十大建築成就獎"。
2、杭州灣跨海大橋
2008年4月29日拍攝的杭州灣跨海大橋雄姿。
榜單上第二個"made in China（中國制造）"的橋梁便是"超級工程"杭州灣大橋。混凝土用量相當於八個國傢大劇院，用鋼量相當於七個"鳥巢"，杭州灣大橋在建成之時輕松登上世界最長跨海大橋的寶座。
大橋將寧波到上海的路程縮短瞭120公裡，形成以上海為中心的江浙滬兩小時交通圈，帶動瞭杭州灣新區的發展。
在橋型上，設計者采用瞭西湖蘇堤的形態，集交通、觀光於一體。為兼顧杭州灣水文環境特點，"長橋臥波"的設計將大橋平面勾勒成S形曲線，優美、活潑的橋型讓司機和乘客在行車、坐車時產生愉悅心理。
3、南浦大橋
2015年9月27日航拍的跨越黃浦江的上海南浦大橋。新華社鈕一新 攝
歷經三年建設，於1991年通車的南浦大橋是浦東開發的標志之一，工程總投資8.2億元，橋下可通行5.5萬噸級巨輪。
南浦大橋宛如一條昂首盤旋的巨龍橫臥在黃浦江上，它使上海人圓瞭"一橋飛架黃浦江"的夢想。大橋造型剛勁挺拔、簡潔輕盈，景色壯麗。入夜大橋采用中桿照明，主橋用泛光照明，在鋼索的根部有投光燈，將光射到橋塔上，光彩奪目。
外國媒體對南浦大橋的螺旋引橋尤其欣賞。當時的設計師為減少占地面積而想出瞭這樣別具一格的設計方案。CNN評價道："如果不能在地上鋪開瞭建，那就往高瞭建吧。"
4、盧浦大橋
2010年4月30日，盧浦大橋上空焰火怒放。當日，中國2010年上海世博會開幕式在上海世博園世博文化中心舉行。
盧浦大橋是上海第二座榮登榜單的大橋，這也使上海與倫敦並列，成為榜單中有兩座橋梁入圍的城市。盧浦大橋主拱截面世界最大，為9米高，5米寬，橋下可通過7萬噸級的輪船。
盧浦大橋在設計上融入瞭斜拉橋、拱橋和懸索橋三種不同類型橋梁設計工藝，是目前世界上單座橋梁建造中施工工藝最復雜、用鋼量最多的大橋。
橋身呈優美的弧型，如長虹臥波，飛架在浦江之上。除交通運輸功能外，盧浦大橋還兼具旅遊觀光的功能。
盧浦大橋將觀光平臺安在巨弓般的拱肋頂端，不但使觀光高度更高，而且需要遊客沿拱肋的"斜坡"走300多級臺階步行觀光，增加瞭觀光性、趣味性和運動性。
由於盧浦大橋位於上海2010年舉辦的世博會會址的中軸線上，因此鑲嵌在盧浦大橋拱肋上的觀光平臺，是鳥瞰世博會址的最佳觀景點。
5、三江風雨橋
2016年3月25日無人機拍攝的三江侗族自治縣林溪鎮程陽風雨橋。
榜單中最後一個出現的中國橋梁是獨樹一幟的三江風雨橋。建於1916年的三江風雨橋位於廣西柳州三江侗族自治縣，橫跨潯江，總長398米，寬16米，最高18米。
因橋上建有廊和亭，既可行人，又可避風雨，故稱風雨橋。整座橋梁不用一釘一鉚，大小條木，鑿木相吻，以榫銜接，雄偉風姿，結實牢固，猶如長龍橫臥於江面之上，承載著侗族數百年的人文歷史。
橋墩以青石砌成，橋面鋪設成排的杉木，上面建有長廊，覆以瓦頂，還建有樓亭五座。樓亭呈方形，多角重簷，共有房簷五層，層層而上，形似寶塔，氣勢宏偉。長廊和樓亭的瓦簷、柱頭都雕花刻畫，秀麗玲瓏，頗為壯觀。
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