星島日報

塔科馬大橋倒塌之謎——專家剖析渦振現象

2020-05-19 00:00

  《跨世紀巨大建築工程》宣傳介紹有一句話︰「假如有本書可以啟發未來世代的工程師和設計師,那肯定就是這一本書了。」這是一本很好的STEM通識課本,教曉你造橋的原理,你馬上開了工程師的竅。如果你是工程迷的話,更加不容錯過。我嘛,純因為接連東莞與廣州的虎門大橋,近日出現不尋常搖晃而感到好奇。究竟橋是怎樣煉成的?還有,橋是安全的嗎?
  本書的副題是「橋梁、隧道、摩天大樓、圓頂建築、水壩,五大創世紀建築工程進化史」。五大建築專題,以橋為首,因為橋是最早出現的「人定勝天」的建築嘗試。人類如果沒有橋的建設,我們會進步得很慢,因為一水之隔,就把兩岸的經濟和社會活動完全阻斷了。橋的造工與規模反映了一個文明的昌盛程度,不用歷史老師來教你,中國的古代造橋建築肯定是名列前矛,更重要的是近二、三十年,中國得到「基建狂魔」之稱號,造橋造到出神入化,全球最長、五十五公里的港珠澳跨海大橋是代表作,是三藩市金門跨海大橋的十五倍。
  今天你會問,中國的橋靠得住嗎?你看同是跨海的虎門大橋忽然之間上下振動,還搞到全線關閉這般狼狽。這方面稍後交代,先看本書壓卷篇的《法布里奇奧橋》——一座不會抖、不會震的橋。
  這是古羅馬建造的石頭拱橋,因為不用木材梁柱,所以永久堅固和絕對防火,加上採用拱門式結構,所以非常穩陣,風吹不動,地震不搖,是以保存二千年。那麼,是不是比虎門大橋更好呢?當然不是,不抖不晃的橋受長度限制,古代環境還可以,到了工業革命,人類經濟生產活動大增,石頭拱橋只能滿足小農經濟。為了大量交通運輸,火車要通過,為了橋更長,以履平河流、海灣,橋必須精益求精、推陳出新,吊索橋便演化出來,成為現代交通橋梁的主流。從金門大橋到虎門大橋,都是用鋼纜吊索拉起而建成,這種懸在空中的建築物,除了建築方法獨特之外,也受到流動力學的挑戰。
  這裏可以科普一下,當有物體放置在流動之中,無論流動的是水或風,都因為物體的阻隔,流動體會分上下而流過,過程中便產生規律性的漩渦,漩渦的動力產生了共振頻率。造橋工程師早已掌握這個現象,他們稱之為「渦激振動」,簡稱「渦振」。由於有「渦振」,所以吊索橋的上下抖振現象屬於常態,在計算之內,今天的虎門大橋事件解釋也是如是,你說是真的嗎?我們再看看下邊的故事,你自己衡量一下。
  美國華盛頓州有一座「經典」跨海吊索大橋,綽號「振動之橋」的塔科馬大橋,從1940年7月1日建成通車那一天起,橋面就出現大起大落的振動,不過,沒有美國人稱他們的國產橋是「豆腐渣工程」,反而認為這是美國一道壯麗的風景線,全國好奇人士和歷險者都來這條大橋打卡。如是者,風繼續吹,橋天天震,當局還着力宣傳它是安全。四個月之後,同年11月7日,這一天颳起一陣不算太大的風,一秒十七米風力左右,可是這條大橋像扭麻花的搖晃了幾個小時,便倒塌了。
  事後調查指出意外的主因,一是橋面厚度不足,中間橋的跨度為八百五十三米,可是橋太薄,單薄的設計難以承受「渦振」。橋天天上下振動,已經告訴你它是不正常,只有天真的美國人認為是安全的。二是千算萬算,算漏了一個關鍵,就是這橋鋼纜因為振動太頻繁,出現金屬疲勞或損壞,其中有鋼纜可能斷了,於是大橋不平衡,一下子變成左右的扭動的「顫振」,橋面便像紙皮般吹起掉落海面。
  這一幕崩橋意外地被一隊原本到這裏拍戲的電影工作組拍下來,大家可以上網搜尋這段視頻。更有趣的是華盛頓州州長事後還很有信心的說,大橋的設計沒有問題,按照原本設計再造就可以。有一位名為馮‧卡門的流動力學專家發現問題,經模擬實驗證實,這橋的設計真的承受不了「渦振」,於是上告政府,當局唯有重新設計,大橋1950年重新開放使用至今。
  美國是不是好在有馮‧卡門?你知他有一位世界知名的學生嗎?他就是中國航天之父錢學森,所以中國都幾靠得住。橋是很有趣,不過其他四大建築也是引人入勝,篇幅關係,此處不贅。
  

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