美国塔科马桥
美国塔科马桥.txt心是自己的，干嘛总被别人伤......没有伞的孩子必须努力奔跑▓敷衍旳青春 总昰想太多 怨，只怨现实太现实╰⌒﹏为什么在一起要两个人的同意丶而分手只需要一个人塔科马桥风振致毁——风与桥
结23班 贾天翼 2002010406
Abstract
Historically, the collapse of the Tacoma Narrows Bridge in 1940, after only a few
months of service, prompted most of the research on aerodynamic stability of bridge.
Before the Tacoma Narrows Bridge collapsed, bridge engineer were content to
design for static loads produced by lateral winds, and the conventional design of
bridges was focused mostly on the strength of aeroelastic investigation in structural
design which included the rigidity, damping characteristics and the aerodynamic
shape of the bridge. At the present time, it is considered more scientific to eliminate
the cause than to build up the structure to resist the effect. The aerodynamic phase of
the problem is the real challenge to bridge engineers, and in response to this challenge,
we now have the new science of bridge aerodynamics.
Basically, the research and knowledge of aeronautics and aerodynamics were
brought to bear on the bridge problem, treating the deck section as an airfoil, i.e. like
the wing cross-section of an aircraft. The results have been equally applicable to
suspension and cable-stayed bridge. The development of the suspension bridge theory
led to more economical, more slender and more ambitious structures. It was in the
interest of maintaining these advantages and at the same time restoring aerodynamic
stability that extensive research was started.
When the first cable-stayed bridge was build in Sweden in 1955, the problem lf
aerodynamic stability in bridge design did receive considerable study. However, that
study did not then lead to explicit design rules and formulas. It should be noted that
all extensive research done so far has not yet completed our knowledge of this
problem.
1、 塔科马桥风毁介绍
1940年11月7日，美国华盛顿州塔科马桥因风振致毁。这一严重的桥梁事故，开始促
使人们对悬索桥结构的空气动力稳定问题进行研究。该桥主跨长853.4m，全长1810.56m，
桥宽11.9m，而梁高仅1.3m。通过两年时间的施工，于1940年7月1日建成通车。但由于
当时人们对柔性结构在风作用下的动力响应的认识还不深入，该桥的加劲梁型式极不合理
（板式钢梁），导致在中等风速(19m/s)下结构就发生破坏。幸好在桥梁破坏之前封闭了交通。
据说，在出事当天，一位记者把车停在桥上，并把一条狗留在车内。桥倒塌时，只有他本人
跑到了桥台处。当地的报纸以简洁的标题对这场事故作了报道，“损失：一座桥、一辆汽车、
一条狗”。
2、风荷载的研究
实
际上风对桥梁的力学作用，很早就有学者进行研究。1759年Smeaton等就提出构造
物设计时要考虑风压问题，从此开始有了风载荷的概念，但当时对风压的认识是不够的，也
没有引起充分重视。直至1879年，英国的Tay桥受到暴风雨的袭击，85跨桁架中的13跨
连同正行驶于其上的列车一起堕入河中的特大事故发生之后，人们对风载荷所产生的作用才
引起了高度的重视。以这一事故为契机，开展了关于风压的研究，并将其反映到桥梁设计中。
1887年重建Tay桥时，由Baker等经现场实验，确定了风压的大小是273千克／平方米。
这一时期，巴黎为迎接1889年万国博览会，计划兴建埃菲尔（Eiffel）铁塔。为了确定作用
在塔上的风压的大小，由著名工程师埃菲尔着手进行风洞实验，并在1909年成立了风力研
究所。研究所中设立的埃菲尔型风洞，至今仍被广泛使用。这样，设计桥梁或建筑物时，就
可以利用风洞试验定量地评价风荷载的大小。此后相当长时间内，人们把风对结构的作用仍
只看成是由风压产生的静力作用。直至1940年，发生了一次风毁桥梁的特大事故，才使人
们看到了风对结构物的另一种作用——风致振动。
3、风的效应和空气动力学上的稳定性
塔科马桥在 1940 年垮掉之后,在之后只有几个月的时间内,促进了在桥的空气动力学上
的稳定性上的大部份研究。
一般来说导致桥梁振动的原因有3种：地震引起的振动、车致振动和风致振动。这三种
动力学问题目前都很活跃，仍处在学科的前沿。当美国华盛顿州建成才4个月的塔科马桥
（Tacoma）毁于暴风，人们在分析塔科马桥事故的原因时才发现，自1918年起，至少有11
座悬索桥毁于风振。塔科马桥在倒塌之前，工程师们以桥在侧面的风产生的静荷载作用下满
足强度要求位设计依据，塔科马桥倒塌之后，工程师们开始注意桥的气体力学的形状，数十
年来，关于桥梁对风致振动响应的分类人们已经取得了较为一致的认识。桥梁工程的研究人
员将大部分精力集中在动力失稳（主要是颤振）和紊流响应（抖振）方面。基本上, 航空学
的研究和桥的空气动力学问题有关,如机翼的甲板区段,也就是飞机的翅膀跨区段，结果证明
是可以用到斜拉桥上的。尽管航空学上耦合颤振和失速颤振的理论基本上适合于桥梁结构，
但由于桥梁的振动具有多振型参与的特点，所以其分析要比机翼的经典颤振理论复杂。目前
对颤振的研究主要集中在两个方面：(1) 紊流条件下颤振导数的测量与识别；(2) 紊流对颤
振的影响。桥梁的抖振问题比（均匀流下的）颤振问题更为复杂。现有的各种理论难于对
抖
振响应给出满意的预估。
4、定性分析风的动力效应
风是一种自然现象，是由于太阳对地球大气的加热不均匀而引起的。由于地球表面的地
形起伏和各种障碍物的影响，使靠近地面的风的流动发生紊乱，造成风在速度、方向及其空
间分布上都是非定常的（即随时间变化的）和随机的。为方便计，人们在处理风对桥梁的作
用时，首先将风分成两部分：(1)假定风速在时间和空间上都是不变的，称此类风为平均风
（稳定风）；(2)另一部分为风速在时间和空间上都改变，称它为脉动风。从而再将风对桥梁
的作用也归纳为两类：一类是风的静力作用，另一类是风的动力作用。
如果设计的桥梁刚度很大，在平均风作用下，桥梁保持静止不动或者其本身振动不影响
气流的作用力，此时的定常反应（不随时间而变化的）称为风的静力作用。这时垂直于桥梁
的气流作用力可分解为三个分量，如上图，即气流方向的阻力，与其垂直方向的升力及升力
矩。它们通常被称为流气作用力的三分力，与风速、桥梁断面形状及风对桥梁的攻角等因素
有关。
如果设计的桥梁是个柔性结构，风的作用力会引起桥梁振动，而振动的桥梁反过来又将
改变气流作用力，产生附加的气动力，形成风与桥梁的相互作用体系，这时的反应，我们称
之为风对桥梁的动力作用。风对桥梁的动力作用是一种十分复杂的现象。为了便于分析，我
们把振动分为两类：一类是在平均风作用下产生的自激振动；一类是在脉动风作用下产生的
强迫振动。
自激振动是指振动的桥梁不断从流动的风中吸取能量，从而加剧桥梁的振动，甚至导致
破坏。前面所述的塔科马桥即是自激振动的典型例子。该桥在设计时吸取了Tay桥事故的经
验，其抗风压的设计对于50米／秒的风速都是安全的，然而对风振却几乎未加考虑。根据
当时的技术条件，采用了钢板梁，并且选用了从空气动力学角度来看属于不稳定的H型断
面。因此，1940年刚刚建成通车后，每遇稍强的风就显示出有风振的趋势，但在头4个月
内，这些振动仅是竖向的，而且在振幅达到大约1.5米后振动就衰减下来。运营几个月之后，
随着跨中防止加劲梁和主索间相互位移的几根稳定索的断裂，振型突然改变，主桥在跨中作
反对称扭曲运动，在跨度1/4点出现从＋45°至－45°的倾斜。发生了扭曲振动约一小时之后，
随着吊杆在索套处的疲劳断裂，约300米长的加劲梁坠入水中。
从力学角度看，风引起了桥梁的振动，而振动的桥梁与附加的气动力之间又形成了闭合
关系，如下图。如果风速超过某一数值时
，便产生发散现象，变形将无限增大，桥梁便产生
失稳。这种振动状态的发散现象就称作颤振（或动力失稳）。颤振是一种自激振动，是将风
的动能转换为桥梁的振动能，而使桥梁的振幅增大。颤振有多种形式，像塔科马桥这样的颤
振，是绕中心轴的扭转振动，我们称之为扭转颤振。
驰振也是一种自激振动，和颤振相似，同样是一种发生在横风向的发散振动现象。但和
颤振不同的是，驰振只限于弯曲振动体系。冬季，深山里的高压输电线上附着的冰雪使断面
变成椭圆状态，铁塔间的输电线在风的作用下就会产生长周期（1～10秒），大振幅（1～10
米）的振动，这种振动通常是在垂直于气流方向上的振动，这就是驰振（远看时如快马奔驰）。
在桥梁中，就有朗格尔桥的H型断面吊杆发生驰振而损坏的例子。驰振一般发生在具有棱
角的方形或接近方形的矩形截面结构中。例如斜拉桥矩形截面的钢塔架，在施工阶段就要考
虑可能产生这种驰振现象。
以上我们所述的颤振、驰振现象都是假定在均匀的稳定风作用下，由于空气对振动结构
的自激作用所造成的振动响应。这种振动响应的分类是按实用方便、历史背景，以及对现象
机理的理解程度等方面考虑的。除此以外，大气中的紊流成分也可能使桥梁产生激烈的振动，
我们称之为抖振（或阵风响应）。这一术语最初用于飞机的尾翼受到前面机翼尾流中紊流成
分的影响而产生的振动。但桥梁中的抖振主要是考虑风本身扰动紊乱的气流所产生的强迫振
动。根据桥梁的实际情况，紊流引起的抖振响应一般不会造成桥梁的破坏，但会引起结构的
局部疲劳或使人感到不适，同时也会影响高速行车的安全。
5、定性分析风的动力效应的研究方法
为了研究桥对风的响应特性，从根本上讲，进行几何缩尺模型的风洞实验是不可缺少的，
特别对特大跨径的桥梁，风洞实验更是验证桥梁抗风性能的直接手段。风洞实验所采用的模
型大致分为刚性节段模型、刚性整体模型及气动弹性整体模型等，以研究所需的不同气动特
性及反映桥梁在风中的振动行为。
由于风对桥梁将产生静力作用或动力作用，桥梁的抗风设计也应该包括静力抗风和动力
抗风两部分内容。桥梁的静力抗风设计要注意强度问题和稳定问题。作为强度问题，主要是
侧向风压引起的变形和应力；作为稳定问题，主要是在升力矩作用下引起的扭转发散或者在
阻力作用下的侧倾失稳。
对于大跨度柔性桥梁，如悬索桥和斜拉桥的抗风设计则应特别注意动力抗风设计。桥梁
动力抗风设计的基本方针是：(1
)提高结构的临界风速，使之大于设计风速，即不会发生危
险性的发散型风致振动；(2)减少各种限幅风致振动（涡激共振，抖振等）的振幅，使之控
制在可以接受的范围内。为了使桥梁在使用期间内，在预计的强风作用下不损害桥梁的安全
性和使用性，首先应掌握架桥地点的强风特性，决定桥梁的设计风速，并据此推测风对桥梁
的作用，校核抗风安全性。如果判断有可能会发生上述有害的振动，就应考虑适当的防止对
策或进行设计变更。
6、结语
塔科马桥于倒塌10年以后，被重新修建。仍采用悬索桥型式，但加劲梁改为桁架式。
新桥总长较旧桥长12m，于1950年10月14日建成通车。
注：随文附有塔科马桥在风的作用下振动的视频。
学习体会
这学期学习了袁驷老师的定性结构力学体会如下：
（1） 在很多情况下无法对结构进行定量的分析，这时定性的分析就变得十分重要；
（2） 定性的分析并不意味着不需要定量的计算，实际上只有对理论知识及定量计算的
熟练掌握，在加上自己不断的总结领悟，才能最终获得定量分析的能力；没有定
量的定性只是空中楼阁而已；
（3） 我在上初中时就知道塔科马桥的风毁事件，是在《科技之光》栏目中看到的，当
时还并不是十分了解细节；上大一时，在土木工程概论课上再次看到了塔科马桥，
但还是无法从理论上进行分析，这次定性结构力学课程的学习，给了我这个宝贵
的机会，定性的分析塔科马桥的风毁原因，我想这也是定性结构力学能够吸引大
家的原因，她不仅给了我们知识，还使我们能够探索自己喜欢的领域。
教师点评：
“这次定性结构力学课程的学习，给了我这个宝贵的机会，定性的分析塔科马桥的风毁
原因，我想这也是定性结构力学能够吸引大家的原因，她不仅给了我们知识，还使我们能够
探索自己喜欢的领域。”
这一点有些始料未及。不过，确实有些同学借助此课非常自觉、主动、积极地探索自己
感兴趣的领域，并且颇有成就感。