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1700548831 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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1700548833 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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1700548835 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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1700548837 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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1700548839 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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1700548841 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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1700548843 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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1700548845 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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1700548847 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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1700548849 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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1700548851 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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1700548853 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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1700548855 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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1700548857 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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1700548869 设计,人类的本性 “ 亚历山大·基尔兰德号”是由1万吨钢铁焊接而成的一个有“5只脚”的石油钻塔,它能够在水中行走。像最初构想的那样,这艘被称为“半潜式平台”的丑陋的船能够在海洋中自由移动,可停泊在各处,“跨坐”在从地质上来说有可能出现石油的位置上钻探海底石油。在那些储量丰富的地方,会建立起一座永久的采油平台,就像是竖起了一个记录这个四处游走的钻探平台的丰功伟绩的纪念碑。
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1700548871 然而,“亚历山大·基尔兰德号”从未意识到这样的潜在荣誉。在复杂并且迅速变化的海洋工程中,“基尔兰德号”逐渐被时间淘汰,于1976年结束了它的使命,这个由法国制造的“五角星”结构体(它那五艘巨大的平底船在运输过程中使平台保持一定的高度和干燥度,但是在抛锚时,为了获得更好的稳定性,人们会使它充满水,把它半下潜到海中70英尺)被它挪威的拥有者改造成了一个漂浮的旅馆,或称“浮动旅馆”,这个旅馆可以为348人提供住宿,这些房客都是在北海运行的更为先进的钻探平台的工作人员。
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1700548873 更糟糕的是,尽管“基尔兰德号”130英尺高的钻塔已经没用了,但仍然被留在了钻探平台上,此时它并不是由数英里的经它提起并沉入到海床上的钻杆包围着,而是由许多标准房和普通房间包围着。这么多年,离岸的工作人员乘坐直升飞机往返于他们在基尔兰德号的家和不远处他们工作的平台之间,就像白领工人乘坐公共汽车或火车往返于他们城郊的家和大城市间一样。
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1700548875 1980年3月27日的傍晚时分,212人在“基尔兰德号”上的家中,有的吃晚餐,有的在房间里读书,有的在桑拿房和电影院中放松,来度过恶劣天气带来的不便时光。外面空气很凉,但并不寒冷,风很大,但并不是飓风,波涛汹涌,但也并非擎天巨浪。“浮动旅馆”那时停泊在北海埃科菲斯克油田的埃达地段,而这一地段经历过比40华氏度、风速每小时40英里、浪高25英尺更恶劣的情况。“基尔兰德号”是为了抵御更加恶劣的环境条件而设计建造的,这些环境条件可能100年只发生1次。因此,尽管风大浪急的海面可能让钻探平台的居民们感觉不舒服,可他们也不必过于担心自己的安全。甚至就算它的5个支架折了1个,影响也不会很快遍及整个结构体,这让“基尔兰德号”的居住者有足够的时间穿上救生衣,登上救生艇。
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1700548877 然而不幸的是,当那天晚上六点半左右,一根带有“巨大裂缝”的支架发生断裂时,钻探平台开始震动,并以比预料中快得多的速度发生了剧烈的倾斜。碰巧那天一直朝同一方向吹的风使得钻探平台的甲板发生了倾斜——据一些人说,将它修成旅馆的改造使它变得上重下轻。一些被掀翻、缆绳缠在一起的救生艇使救援工作无法按照计划展开。在这场最严重的离岸工程事故中,123人丧生,仅89人生还。
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1700548879 人们推侧,可能是附近埃达油田生产平台和它的碰撞,也可能一台潜水艇碰撞到它基本的设计缺陷是导致“基尔兰德号”支架断裂的原因。后一种解释看起来不大可能,因为“基尔兰德号”是大约12个相似钻探平台之中最新的一批,而基本的设计缺陷应该首先暴露在最陈旧的平台身上。然而其他早些时候被提出的事故理论也很快被排除,因为脱落下来的支架被运送到挪威斯塔万格港一个平静的海湾上接受了断裂面的检查。其中一个断裂的支架显示出了一个在不为钻探平台操作员所知的境况下,支柱上形成了一个扩展速度无法控制的巨大裂缝。每个波浪对海上结构体的作用,都不会使结构体身上的某个裂缝增长多过一百万分之一英寸,但是因为大海每年会对像“基尔兰德号”这样的一个结构体连续猛击数百万次,随着时间的流失,结构体上可能会出现相当大的裂缝。即使有疲劳裂缝,只要没有达到像锯拉木头,咔嚓就断的地步,工程结构体就能够继续工作。可通过以下措施来抵制金属疲劳:消除新工程结构体上所有(除了最细微的)裂缝;在有规律的时间间隔内,检查结构,探查任何可能会扩大的裂缝;在那些细小的裂缝发展成危险的隐患之前让这个结构体退役。(因此,每一个海上石油平台都设有一个疲劳寿命,就是它被用于钻探它所在位置的石油的年限。)
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