塔科马大桥坍塌原因与启示
摘要：1940年11月8日美国华盛顿州的《塔科马新闻论坛》（Tacoma News Tribune ）刊登了一则轰动一时的爆炸新闻，大字标题“海峡大桥坍塌”。
塔科马大桥的坍塌，在人们心中的阴影久久不能抹去。至今成为物理学、力学、建筑学的经典案例，在教科书中频频现身。作为力学和工程的课题仍然是极有价值的研究对象，而其坍塌原因也有多种说法。翻翻网页，讨论、引述、研究的文章成千上万，居然成为一项“宏”资源。但是，作为物理教学的资源，感觉需要深入进行定性半定量的讨论。
关键词语：扭转变形 共振 抗风 卡尔曼涡旋 自激颤振 坍塌情形
(一) 坍塌经过
大桥通车之前，就已经发现遇风摇晃的现象，因此通车后一直有专业人员进行监测。1940年11月7日上午，7:30测量到风速38英里/小时（约61公里/小时），到了9:30风速达到42英里/小时 （约68公里/小时）。引起大桥波浪形的有节奏的起伏，有人目睹为9个起伏。10:03突然大桥主跨的半跨路面一侧被掀起来，
引起侧向激烈的扭动，另半跨随后也跟着扭动（注意：这时候大
桥运动发生实质性的
变化）。10:07扭动大
到半跨路面的一侧翘
起达28英尺（约8.5
米），倾斜45°。10:30
大桥西边半跨大块混
凝土开始坠落，11:02大桥东边半跨桥面下坠，11:08大桥最后一部分掉进大海。
上图就是塔科马大桥坠毁当时的惨象。这幅照片是大桥主跨第一片混凝土坠落后几分钟拍摄的，可以从图中看到600英尺（约123米）长的大桥片段正在往下掉。图的左上方还可以看到一辆束手无策的小汽车。
(二) 大桥物理分析
塔科马大桥全长5939英尺（约1810.56米），主跨度，机大桥两个支撑桥塔之间的长度2800英尺（约853.4米），桥宽39英尺（约11.9米），桥边墙裙深8英尺（约2.4米）。其基本结构如图
塔科马大桥的结构中很重要的特点是加劲梁没有采用桁架结构，而是采用钢板梁，大桥重量得以减轻许多。桥边墙裙采用实心钢板。两边墙裙与桥面构成H 形结构。大桥边缘的钝形结构，成了挡风的墙，为在一定条件下形成冯•卡尔曼涡脱准备了空间物理条件。
再一个特点就是塔科马大桥跨宽比为1:72，与同类大桥相比大桥，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窄。这点几乎就是塔科马大桥的命门。
(三) 桥身结构缺陷
1) 著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，建议采用8英尺（约2.4米）深的浅支撑梁，大桥最终采用了莫伊塞夫的设计方案。此方案使用的钢梁变窄，但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，可以看到桥的另一端上的汽车随着桥面的跳动，但是设计师们认为这种波动不会引起严重后果，并误信结构上是安全的。根本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当年9月到11月初相继用风洞对8
英尺长和54英尺长的大桥模型进行实验测试，研究大桥扭振原因
和补救办法。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，意图改变风对大桥的严重影响。大桥管理部门草拟方案准备采取补救施工，但是还来不及补救，大桥就坍塌了。
(四) 原因分析
1. 塔科马大桥设计中存在一些致命的缺陷，相对于主跨长度而言，
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根本缺点，实心墙裙成了挡风之墙，垂直方向过分柔软，容易引起扭曲。
2. 众说纷纭的坍塌原因
1) 随机湍流
简单说来，早期有人认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。实际观察中，大桥的振荡是稳定振荡，而湍流却随时间发生无规则变化，难以解释。
2) 周期性涡旋脱落
冯•卡尔曼认为，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解释。冯•卡尔曼1954年在《空气动力学的发展》一书中分析：塔科马海峽大桥的毁坏，是由周期性旋涡的共振引起的。20世纪60年代以来，不少计算和实验，为冯•卡尔曼的分折提供了证据。但是，实际观察
表明大桥的扭振频率为0.2 Hz，而有的模型计算表明，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解释的主因，不尽满意。
3) 空气动力不稳定性引起的自激颤振
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，而且越过原来位置。这时，桥面前缘在下，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。这个过程一再反复，大桥不停地来回振荡。以至大桥材料疲劳超过极限，最终坍塌。
4) 最终祸首——卡尔曼涡旋
塔科马大桥桥面和梁构成H 型几何外形。桥边实心板状墙裙就是钝状阻碍物，风吹到桥边时遇到板状墙裙，气流流过板墙被分成两股，分别在桥的上下两个半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。这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，大桥左边下面的涡旋压力大于大桥左边上面的涡旋压力，大桥半主跨的左边往上翘起。一旦翘起，风与大桥形成仰角，风又形成一个压力，立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
旋压力大于大桥左边下面的涡旋压力，继续增大左边向上、右边向下的幅度。形成正反馈。大桥本身具有一定扭曲刚度，使得大桥桥面反弹。涡脱有一定的周期性，交替出现。这时，如果涡脱频率与大桥扭振频率一致，情况正好反过来，左边向下、右边向上，形成横向振动。 启示：
对于我们理工科学生来说，塔科马大桥坍塌事件是给我们的一个警钟，差之毫厘，谬之千里，所以认真谨慎是我们这些学习工程设计的学生基本素养。
另外，这一事件还告诉我们实验是必要的，任何生产在实施之前都要考虑各种因素的影响以减小事故发生率。
知错能改，善莫大焉。所以在发现错误时及时认识到错误，并予以改正和补救是万分重要的，亡羊补牢为时晚矣。