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罗布林决定用一个对他所在的时代而言是比较激进的设计来挑战性地建造一座横跨尼亚加拉河峡谷的大桥,即使他同时代的一些人认为这是不可能完成的任务。罗伯特·斯蒂芬森——英国伟大的工程师,认为悬索桥无法支撑铁路火车,所以他选择使用大型矩形钢管建造了火车可以穿行其中的布列坦尼亚桥。罗伯特·斯蒂芬森就罗布林关于用悬索桥支撑横穿尼亚加拉河火车的提议给罗布林写了一封信:“如果你的大桥成功了,那我的就是一个极大的错误。” 尼亚加拉河大桥成功了,但是斯蒂芬森的“错误”也成功了。斯蒂芬森在麦奈海峡上建筑的铁路桥使用了100多年,直到1970年毁于一场大火后被一座拱形桥代替。
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罗伯特·斯蒂芬森之所以把他的钢管桁架桥看作是失败的设计(尽管它在结构上是成功的)是因为他在设计这座大桥时的主张是:在结构上人们无法建造出比钢管桁架桥更有效的桥体,使其能够承受火车所带来的重活动荷载。实际上他的同代人威廉·费尔贝恩将1850年以后建造的一些“危桥”归咎于斯蒂芬森成功建造钢管桁架桥的身上,斯蒂芬森建造的钢管桁架桥不需要来自桥塔钢索的支撑,使得一些后来的设计者盲目地跟风。罗布林的尼亚加拉大桥所取得成就给史蒂芬森关于索拉桥的主张提供了一个反例,也给未来的桥梁设计师提供了一个尝试超越的典范。罗布林将许多他用在尼亚加拉河大桥身上的创新手法——比如很厚的加劲路基和可以抵抗风力的斜拉索——也使用在了他设计的辛辛那提大桥和布鲁克林大桥身上,但是后来索拉桥的设计者们使路基渐渐变长、变薄,这使得它们在承受交通荷载和抵御强风时变得更有弹性,同时也不再使用几乎成为罗布林标志的斜拉索。在20世纪前1/3的时间内,索拉桥的桥体变得越来越长,线条也越来越流畅,乔治华盛顿大桥、布朗克斯白石大桥和塔科马海峡索拉桥的设计就属此类。当然,塔科马海峡索拉桥的细长度超过了前人经验中的合理界限。
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工程设计的悖论是成功的设计方案转化成了事故,而巨大的事故有助于有改革精神的和鼓舞人心的结构体的发展。然而,当我们明白设计过程的主要目标是消除事故时,这一悖论也就解决了。一个失败的结构给某一假设提供了反例,毫无疑问它也告诉了我们什么不能做,而一个没有出现过问题的结构体通常是把应该留给下一代工程师的教训和警告隐藏了起来。成功与失败之间不间断的、反复的相互作用在悬索桥的历史上最具戏剧性,尽管一些其屋顶的工作原理与桥梁类似的大胆的新建筑也带给了后人一些重要的经验教训。设计了乔治华盛顿大桥和其他纪念性桥梁的奥特马尔·曼写道:
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……塔科马海峡索拉桥的失败给我们提供了非常宝贵的信息……它告诉我们每一个触及到新的重要领域的新结构体都一定会遇到前人的理论和经验无法解决的问题。这时,我们在很大程度上只能依靠自己的判断,如果这导致了错误或事故的出现,我们应该把这当作是人类进步的代价而接受它们。
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塔科马海峡索拉桥是工程史上一次最为严重的失败。这座连接奥林匹克半岛和华盛顿州内陆的索拉桥拥有一个狭窄的双车道,中央跨距大约为半英里。这是一个非传统设计,它没有采用当时惯用的,也是必要的更深层次的开放,而是使用了加固桁梁的设计,减小了路基的厚度。这一创新使得桥的轮廓纤细,外形优美,但是大桥窄且浅的路基也使得它在风中很易弯曲。
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塔科马海峡索拉桥在建筑过程中就起伏波动得厉害,这种不正常的现象在1940年投入使用后的几个月中也一直持续着,因此这座桥又被叫做“舞动的格蒂”,并且吸引了一些想体验汽车版云霄飞车的人来此寻求刺激。在它倒塌的那天,大桥发出了它要最后放纵一下的警告,因此在情况进一步恶化之前,人们封闭了大桥。路基扭曲直至坍塌前的壮观场面甚至被制成了新闻记录影片,工程师一直努力在成比例缩小的模型身上获悉空气动力不稳定性的现象。录制塔科马海峡索拉桥最后几分钟的影片已经成为了经典。
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随后对塔科马海峡索拉桥坍塌事故的分析证实当时桥跨的行为就像遇到激流的机翼。至此,桥梁在空气动力方面的设计不再受到忽视,人们迅速地用钢铁加固了与塔科马海峡索拉桥同时期的易受影响的桥梁来抵御侧风,虽然这会破坏桥梁的美观,但却可以保证它们的结构安全。随后的设计都必须接受与飞机设计一样的风洞测验。
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设计师完全没有想过塔科马海峡索拉桥会在每小时40英里的侧风中坍塌,因此也并未对这种情况加以分析。理论上塔科马海峡索拉桥完全能够承受它自身的静负荷和来往车辆的自重。由于它的使用率比具有类似设计的布朗克斯白石大桥要少得多,因此与这座纽约6条车道宽的姐妹桥相比,塔科马海峡索拉桥只有2条车道宽。布朗克斯白石大桥比塔科马海峡索拉桥早投入使用一年,而且已经安装了额外的索拉和加固装置来减少风力造成的惊人的大幅度晃动。这些正确的措施将路基的上下起伏控制在几英寸左右,但是在交通高峰期,车里的人们在过桥时仍然能够明显地感觉到桥的波动。很多个下午,当我从布朗克斯乘车回长岛,因为交通堵塞被困在桥塔和那些在塔科马海峡索拉桥坍塌后为了加固大桥而增加的钢制开放围墙(open walls of steel)的中央时,我能看见并感觉到桥梁那令人不安的大幅度晃动。直到20世纪80年代,另外一些矫正措施才被用以进一步减少桥在风力下的晃动。
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然而塔科马海峡索拉桥的晃动是用英尺而不是英寸来计算的,在投入使用后,塔科马海峡索拉桥还没等到对它采用矫正措施就坍塌了。当大桥正在被风力撕扯时,华盛顿大学正在对一个按比例缩小的模型进行测试以便能够理解塔科马海峡索拉桥现象并找出补救的方法。一个类似的布朗克斯白石大桥模型出现在普林斯顿大学,虽然这两所大学都能够重现这两座大桥的波动,但是他们却不能对其给予确切的解释。报道“舞动的格蒂”(塔科马海峡悬索桥的外号)坍塌的头条新闻认为是索拉桥中存在的空气动力不稳定现象导致了纤细的桥面板在风中动若机翼。
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加利福尼亚理工学院古根海姆航空实验室主任西奥多·冯·卡门写给《工程新闻记录》杂志的一封信是最早对寻找大桥坍塌真正原因有帮助的建议之一。在信中,他对一个像机翼般扭转的理想桥面采用了一个微分方程式,因为风的升力折曲桥面的方式与折曲桥上钢铁的方式不同,他的这封信写得十分简洁,被称为封底计算。他指出,在主要由悬索来抵抗扭曲的案例中,通过预测会使又窄又浅的桥面遭遇危险扭曲的临界风速,人们可以获得方程式之解。冯·卡门的分析能够阐述这样一个事实,即塔科马海峡索拉桥比布朗克斯白石大桥窄3倍,与它自身的跨度(当时是世界第三长)相比浅了2倍。因此冯·卡门证明了塔科马海峡索拉桥显示出的空气动力学不稳定性比其他任何现存的桥梁都更为明显。实际上,大桥在比信中计算得出的风速还少10英里的情况下就坍塌了,这封信写于事故发生后的两周内。
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然而不用通过计算,单是100多年的经验就本应该使塔科马海峡索拉桥的设计者注意到冯·卡门通过微分方程式计算预测出的坍塌原因,那些被记入历史的灾难性事故强烈地表明设计师应该熟悉技术史。如果塔科马海峡悬索桥的设计者知道惠灵索拉大桥(wheeling suspension bridge,它在1849年完工,是当时世界上跨度最长的桥)的故事,他们在设计过程中就没有理由忽略风力可能会导致坍塌这一点,而不是在一个桥梁建成后再处理问题。在存在了5年之后,惠灵索拉大桥在一场暴风雪中坍塌了。技术资料并没有对此进行详细叙述,因此使得同时代和后来的设计师——包括塔科马海峡索拉桥的设计师——未能从这次灾难中吸取教训,但是一位当地记者在1854年5月17日惠灵(美国城市)的《情报员》(Intelligencer)中报道了大桥坍塌时的情况:
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带着无法形容的巨大悲痛,我们不得不宣布,举世闻名的惠灵索拉大桥已经在巨大的暴风雪中坍塌了,现在只剩一片废墟。昨天上午上千人还在观赏这座惊人的建筑,一座横跨在美丽的俄亥俄河上的巨大通道,当地居民把它看成是最引以为傲的标志性建筑。现在除了在下方的残骸中还能隐约地看到解体的桥塔外,什么也没留下。
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大约在昨天下午3点,我们向惠灵悬索大桥走去,像往常一样,我们走上大桥,享受着凉风轻拂和大桥的波动……我们刚离开桥面踏上主街两分钟就看见人们蜂拥地跑向河岸;我们及时跟随着人群看到整个桥在巨大的外力下起伏摇荡。
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一时间,我们屏住呼吸,心惊肉跳,大桥就像是风暴中的一艘小船。大桥一度荡到接近桥塔的高度,然后又降下来,扭曲,翻腾,几乎底部朝天。最后,大桥的整个桥面受到了致命的一击,大约一半的桥面几乎被翻转了过来,伴随着惊人的巨响和咆哮,巨大的桥梁从炫目的高度上坠入下面的河流。
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对于这个巨大结构始料未及的坍塌,力学方面的解释我们还要等待事态进一步的发展。我们亲眼目睹了这惊人的一幕。巨大的桥身和悬索构成的画面就像是一个篮子在桥塔之间来回摆动,像钟摆一样左右摇晃。每次的震动都使它受到的冲力增大一分,承载整个结构的拉索无法承担来自这么多方向的压力,扭曲和猛拉最终使它们脱离了固定处……
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我们相信市民和企业热心公益的精神会很快修补这一损失,就像任何一个集体都会做到的那样。我们还应该庆幸没有人因此遇难。
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这个报道与大约一个世纪之后的记录了塔科马海峡索拉桥坍塌过程的新闻短片一样生动。尽管在那场灾难中同样没有人遇难,尽管在几年内又有新的索拉桥替代了它们,但是在有惠灵索拉大桥和托马斯·特尔福德的梅奈海峡索拉桥这样的前车之鉴的情况下,在20世纪中期还能发生这样的事故可不是什么值得“庆幸”的事。在它1826年早期投入使用仅1个月后,一场大风使得梅奈海峡索拉桥(跨度大约为550英尺)剧烈晃动,损坏了一些垂直吊杆和许多地楞横梁。有关这场事故的记录并不如惠灵索拉大桥的报道那样生动,但是它却明确表明梅奈海峡索拉桥事故的原因是路基的波动。桥被修复并进行了加固,但是在随后的风暴中它却遭受了巨大的波动和严重的损坏。历史上其他的例子也都预示了塔科马海峡索拉桥的失败,但是它们带给后人的教训却明显并未被现代设计师所留意。如果人们没有在设计图上发现桥梁或者任何结构体有发生灾难的可能性,那么当像1940年塔科马海峡索拉桥坍塌这样的灾难发生时,工程师会和公众一样大吃一惊。
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如果铭记失败能够促进推出更优质的桥梁,那么结构上的成功就会培育出更优秀的桥梁建筑师。布鲁克林大桥激励大卫·史戴门(他是在布鲁克林大桥附近长大的)成为了一名索拉桥建筑师。当塔科马海峡索拉桥倒塌后,他开始撰写约翰·罗布林和儿子华盛顿、儿媳妇艾米莉建造布鲁克林索拉桥的故事,塔墩沉箱事故使华盛顿受伤致残只能在自己的房间里监督桥梁进展时,艾米丽代替丈夫到施工地点监工。史戴门,400多座桥梁的设计和建造者,从他的职业生涯抽出5年的时间用以研究布鲁克林大桥和书写罗布林一家的故事,以此来回报布鲁克林大桥带给他的鼓舞,并在1948年被委以重建这座具有历史意义大桥的重任,以便使它能够承载现代交通的繁忙运输。这座几乎成为20世纪40年代后期纪念性建筑的大桥又恢复了活力,现在它可以允许6个机动车道满额,而以前则要限制在2个车道。
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史戴门也设计了他自己的代表作,包括连接密歇根上下半岛的麦金娜大桥。但具有讽刺意味的是,这座桥结构上的成功更多的是归功于塔科马海峡索拉桥的坍塌而不是布鲁克林大桥的成功。在明白了“舞动的格蒂”失败的原因后,史戴门采取了相应的措施以避免其发生在自己的结构体中。然而对于舞动的格蒂的教训,其他的桥梁设计师采用了其他的解决方法,然而横跨在塞文河(1779年建成的第一座铁桥就是横跨在这条塞文河上)河口之上、连接威尔士东南部和英格兰西北部的塞文桥却处在了尴尬的地位。20世纪60年代早期人们设计了塞文桥的超级结构,并把它视作是解决风荷载问题的创新方法,塞文桥一个车道的横截面酷似一个翅膀。构成塞文桥的轻量箱型梁,与布鲁克林大桥的一样,被设计用来承担当时存在的各种交通负荷。然而,布鲁克林大桥在被加固之前为交通运输服务了半个多世纪,而塞文桥在投入使用15年之后就对日益增加的交通荷载出现了反应。
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倾斜的吊架悬索开始磨损,不得不被替换下来,大桥的使用情况也不得不被限制在每一个方向只能用一条车道。这些措施十分必要,因为大桥在设计时只留有很小的储备强度,而交通荷载就构成了桥身重量的一个重要组成部分。虽然在人们眼中,大桥在塞文河的疾风中仍然很稳固,但是潮湿空气对车道内部大梁的腐蚀,以及吹过吊架拉索那与众不同却也具有破坏性放置模式(无论是结构还是美学上,这种模式都很难让人想起布鲁克林大桥的对角线)的风都给拉索和路基增加了过度的荷载。因此史蒂芬森、罗布林和史戴门取得的伟大成功给后人以典范和启示——但不是规则。这些伟大桥梁的继续存在告诉我们创新并不是注定就要失败,但同时它们也会成为盲目自大的源泉。
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如果我们停止创造,那么结构上的失败和惊喜将全部消失。每座新建成的桥梁都可以是对某个已经经受住时间考验的桥梁的精确复制,但是新建桥梁所能承担的交通荷载永远不能被允许超过那个旧桥梁的交通荷载。无法使用新的建筑材料,不可以在一条不具有与现存成功桥梁完全相同基础和风力情况的河上建新桥。事实上,通过简单地宣布暂停所有的创新、改变和发展,我们就可以终止所有失败的风险。这会使得发展暂停,因为不允许改变就意味着实际上我们不允许在以前建桥失败的地方建桥。因为没有两个完全相同的地方,也没有两个完全相同的交通模式。就算我们能够相信自己可以用相同的建筑材料和相同的建筑质量复制一座桥梁,也会使桥梁服务地区的贸易不能继续发展,因为该地区的交通荷载已经超过了过去。
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即使是把布鲁克林大桥和艾菲尔铁塔作为他们艺术符号的诗人和画家,也不会让纸上描写它们的文字和帆布上绘制它们的油画一成不变。多年以来,哈特·克莱恩和约瑟夫·斯太拉笔下的桥梁在他们的创作中变得越来越重要了。他们的艺术倡导创新,他们的符号也是如此。就像没有人期待会有最后的前卫派一样,人们也不应该期待会出现最后的桥梁。伟大的桥梁就像莎士比亚和米开朗琪罗的艺术创作,敦促年轻一代去创造而不仅仅是模仿大师。在学习期间,模仿也许是可以的,但是一个人想要最终创造一些属于自己的东西,比如简单的一座桥,将是一场无法确定的旅行。如果一个有创意的设计遵循正确的原理,没有急于也没有太过超越艺术或工程学的限度,那么它很有可能取得成功。
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如果结构上的成功鼓励工程师们创造出更多大胆的设计,并使他们对设计中看上去并非标新立异的部分过于自信,那么结构事故就在提醒他们,他们可能走得太急太远了。因此结构事故通常是需要扩展研究的部分,如果不这样做,我们可能只是幸灾乐祸地观望别人的错误,如果这样做了,所有的工程师就会对一些明显不能做的事情有一个更好的理解。
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