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1700548419 六、19世纪索拉桥的众多事故在布鲁克林大桥和其结构上的追随者所取得的巨大成功中渐渐被人们遗忘。当桥梁设计者正在努力建造更长更轻的桥梁时,塔科马海峡吊桥的巨大失败(1940年塔科马海峡吊桥在和风中折成了两半)动摇了他们的信心。人们立刻对它的姐妹桥进行了加固,并且在建造新的桥梁时都将车道建得又深又坚固,比如图片所显示的麦金娜大桥就是这样。在英格兰,设计师将塞文桥的车道建成机翼的形状,用来截断可能使其毁灭的风。然而,这座桥(照片上演示的是它在1966年修建中的情况)却出现了严重的裂缝和疲劳问题,因此自设计和竣工之日起,对大桥被允许承载的繁忙运输而言,它被低估了。
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1700548427 七、1981年堪萨斯城凯悦酒店的两座人行天桥坍塌,造成100多人死亡,这也因此成为美国历史上因结构失误而导致的最为严重的一场事故。对于坍塌的原因人们提出了许多观点,其中一种观点认为当时在人行天桥上跳舞的人过多,这让人想起了早期的悬索桥在前进中士兵的脚步下坍塌的事情。事故的真正原因很快追踪到对一个支撑元件(这个元件是用来帮助支撑人行天桥的)的设计所作的一处改动。《堪萨斯城明星报》雇用了一位工程师作为此次事件的顾问,并在几天内就在这篇获得普利策奖的文章中揭露了事故的真正原因。不久国家标准局对此次事件的检测证实,原因是出在这个元件上。
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1700548435 八、横跨在康涅狄格州迈安那斯河上的一段95号州际公路桥在1983年6月28日的清晨时分突然发生了坍塌。3人死于从此裂口处掉下的汽车中,如果这次结构失效发生在高峰时间,那将会有更多的受害者,因为每天大约有10000辆汽车通过此桥。此次坍塌将人们的注意力集中到了这座25岁桥梁的“销和架”(pin-and-hanger)的设计上,此种设计使得结构体在销出现问题时完全失去了支撑。随后的调查在具有类似设计的桥梁上发现了许多有裂缝的支架。桥梁设计者指责康涅狄格州政府没有适当地维护保养桥梁,而州政府则指责设计师的设计很差。而事故本身则是在提醒我们,适当地保养维修和好的设计同等重要。
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1700548447 设计,人类的本性 独 立钟不仅是政治独立的象征,在工程学的历史上,它的断裂也代表了一起最为著名的工程事故。同时它也代表了工业革命带来的技术独立所取得的胜利和代价。自由地设计并实现更大、更宏伟、更复杂的工程结构从来都不是没有风险的,蒸汽动力和铁路的早期历史不时地穿插着锅炉爆炸和铁路事故造成的残骸和受害者。如果结构失效在今天仍然存在,那很大程度上是因为在新兴的工业世界中仍然存在着尚未开发的技术领域。这些领域存在风险,但有责任感的技术开发者也同样提供了预防措施。
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1700548449 独立钟的历史本身就预示了技术发展的变迁。最早的独立钟是由英国制造并于1752年运送到美国的,但是当人们第一次敲响它时,独立钟发生了破裂。独立钟并没有被长途跋涉远渡重洋地送回英国重铸,而是由费城当地的工人熔化了。在制作了一些小钟并对其进行了声音和铸件强度的测试后,缺乏此类经验的美国人决定增加青铜的含铜量。当发现照此方法制造的钟音色很差时,它又被重新熔化了。之后,为了使其音调悦耳,人们又加入了少量的银,但在费城的大陆会议对这个新的铸件并不完全满意,也有人建议从英国运进一座新钟。然而,可能是出于家乡的自豪感,最后人们接受了这个产于殖民地的独立钟,1776年7月4日这一天,人们敲响了独立钟,标志着《独立宣言》的通过。
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1700548451 1777年,为了躲避前进中的英国军队,独立钟被运走了,但是在独立钟第二年回到费城之前,它在运送过程中受到了一些机械损伤。半个多世纪以来,每当有周年纪念和特殊事件时,人们都要敲响独立钟。然而,1835年,在为首席法官约翰·马歇尔的葬礼鸣钟时,一个巨大的裂纹出现在了独立钟身上。为了防止裂纹蔓延,人们采取了很多方法,但是在1846年庆祝乔治·华盛顿的生日时,独立钟的裂纹延伸到了现在我们所熟悉的长度。
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1700548453 并不是所有的故障都像独立钟一样是自发的。通常,结构损坏形成得十分缓慢,使人们足以在造成无法挽回的损失之前注意到这种状况,于是有裂纹的结构体的性能就能够通过一些改善措施得以维护。大本钟就是一个例子,这个13吨的大钟悬挂在伦敦国会大厦的东侧塔楼内。100多年前,当人们在大本钟身上发现一条裂纹时,便将钟槌换成了一个小尺寸的,并且在敲钟时,也使钟槌敲在破坏性较小的一点上。这个正确的工程改动使大本钟可以继续每隔一小时报时一次(虽然有人说它的声音不再那么清亮了)而避免成为一个沉默的古董。那个裂纹今天仍然还在,但是它并没有以任何显著的速度扩大,当然人们也不希望如此。
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1700548455 大本钟的报时装置也出现了裂纹,但是直到风轮调速器有裂纹的轴在1976年发生灾难性的断裂并在钟房引起机械装置大规模损坏,钟表部件猛烈地四处飞散时,人们才认识到这一点。轴上的裂纹最初只是一个在制造过程中留下的裂纹,并且扩展得很缓慢,但从此钟自1895年被安装之日起,在经过了400万次的循环敲击后,这一裂纹突然发生了断裂——典型的疲劳衰坏。
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1700548457 一般认为50%~90%的结构损坏,包括钟、桥、飞机和其他普通技术产品的损坏,是裂纹扩展得结果。大多数案例中裂纹扩展地比较缓慢。只有当裂纹发展到结构承受的极限并且仍未被注意到时,灾难才会发生。因此裂纹本身并不是需要担心的对象,尽责的工程设计都会考虑到设计物身上可能出现由材料或技术问题引发裂纹和其他缺陷的可能性。作为设计的一部分,这些缺陷对结构体一生中每个阶段的影响都是可以被计算出来的,但是为避免这些计算本身出现错误,工程师最好提醒结构体的所有者或操作者要警惕裂纹的扩散。
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1700548459 “脆性断裂”是一个已经存在了几个世纪的问题了,它是指一个巨大的裂纹以接近声音的速度自发地贯穿一个结构体,在标志着船体破裂、压力容器爆炸或桥体坍塌的爆炸声中,瞬间切断钢铁。在灾难发生之前,通常都会有一个“酝酿期”——在引发灾难的疲劳过程中裂纹慢慢变长加深。卡尔·奥斯古德在他的著作《疲劳设计》中,对此给予了更为深入的阐述:“所有的机械装置和结构设计都存在疲劳问题,这是因为自然之力总是作用在每个物体上,因此每个物体也必然会以某种方式对其作出反应。”时隔10年,在这本书的第二版前言中,他重申了这一主张,声称“没有找到改变最初(他的)观点的原因”。当然,不是所有的工程师都如此专一地关心疲劳问题,但在许多设计中,这一点确实是需要重点考虑的。
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1700548461 一些冶金学的理论可以用来解释机械装置的累进疲劳损坏现象,这些理论包括对金属微观结构中存在的无规律或“混乱”这一现象所作的假设,但是没有一个是完全令人满意的。然而,正当冶金学家们讨论如何能让一块金属发生断裂的微小细节时,工程师们却在不断地被要求设计出即使遭受剧烈震动和其他不定负荷也不会发生断裂的机械装置和结构。因此工程师必须拿出实用的方法,在不引起结构损坏的情况下,预测出裂纹扩展的速度和范围。通常正是这类考虑决定了一个结构体的预期使用寿命。
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1700548463 如果我们认为我们对这一过程本身的理解是不完全的,那么,结构工程师在避免疲劳引发事故的设计上所取得的成功则是令人钦佩的。他们认为疲劳过程从本质上说包括两个阶段。在第一阶段,微裂纹在“成核位置”——材料弱化或是应力集中的点——显现出来,这一阶段大约占一个机械零件或者一个机械结构全部寿命的一半。随着反复负载的持续作用,这些裂纹逐渐扩大,并且会有一些合并成一个占支配地位的显微疲劳裂纹。在第二阶段,随着循环加载的继续,这个裂纹以一个更快的速度扩展。如果裂纹发展到了不堪承受施加负荷的尺寸,这个结构体就将无法再继续支撑具上的程了。这时当一个在这个结构体没有出现疲劳之前可以承受的负荷加载在它身上时,它就会坍塌。
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