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  • 1 # lanfengz3

    20世紀40年代,美國塔科瑪峽谷橋(Tacoma Narrow Bridge)風毀事故的慘痛教訓,使人們認識到卡門渦街對建築安全上的重要作用。

    1940年,美國華盛頓州的塔科瑪峽谷上花費640萬美元,建造了一座主跨度853.4米的懸索橋。建成4個月後,於同年11月7日碰到了一場風速為19米/秒的風。雖風不算大,但橋卻發生了劇烈的扭曲振動,且振幅越來越大(接近9米),直到橋面傾斜到45度左右,使吊杆逐根拉斷導致橋面鋼樑折斷而塌毀,墜落到峽谷之中。當時正好有一支好萊塢電影隊在以該橋為外景拍攝影片,記錄了橋樑從開始振動到最後毀壞的全過程,它後來成為美國聯邦公路局調查事故原因的珍貴資料。人們在調查這一事故收集歷史資料時,驚異地發現:從1818年到19世紀末,由風引起的橋樑振動己至少毀壞了11座懸索橋。

    第二次世界大戰結束後,人們對塔科瑪橋的風毀事故的原因進行了研究。一開始,就有二種不同的意見在進行爭論。—部份航空工程師認為塔科瑪橋的振動類似於機翼的顫振;而以馮卡門為代表的流體力學家認為,塔科瑪橋的主樑有著鈍頭的H型斷面,和流線型的機翼不同,存在著明顯的渦旋脫落,應該用渦激共振機理來解釋。馮·卡門1954年在《空氣動力學的發展》一書中寫道:塔科瑪海峽大橋的毀壞,是由週期性旋渦的共振引起的。設計的人想建造一個較便宜的結構,採用了平鈑來代替桁架作為邊牆。不幸,這些平鈑引起了渦旋的發放,使橋身開始扭轉振動。這一大橋的破壞現象,是振動與渦旋發放發生共振而引起的。

    20世紀60年代,經過計算和實驗,證明了馮·卡門的分析是正確的。塔科瑪橋的風毀事故,是一定流速的流體流經邊牆時,產生了卡門渦街;卡門渦街後渦的交替發放,會在物體上產生垂直於流動方向的交變側向力,迫使橋樑產生振動,當發放頻率與橋樑結構的固有頻率相耦合時,就會發生共振,造成破壞。

    卡門渦街不僅在圓柱後出現,也可在其他形狀的物體後形成,例如在高層樓廈、電視發射塔、煙囪等建築物後形成。這些建築物受風作用而引起的振動,往往與卡門渦街有關。因此,進行高層建築物設計時都要進行計算和風洞模型實驗,以保證不會因卡門渦街造成建築物的破壞。據瞭解,北京、天津的電視發射塔,上海的東方明珠電視塔在建造前,都曾在北京大學力學與工程科學系的風洞中做過模型實驗。

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