在城市景观之间开辟步行联系

本文所述千禧桥是伦敦泰晤士河上的人行桥,北向圣保罗大教堂,南接泰特现代美术馆一带。它的任务既是过河,也是在已有城市景观之间形成清楚的步行和视线联系。

1996年设计竞赛吸引二百多份方案,胜出团队由奥雅纳工程师、福斯特建筑事务所和雕塑家安东尼·卡罗组成。保护视线与保证通航净空共同限制了结构高度,促使团队采用低矮悬索形式。桥梁的纤细轮廓由此不是纯粹装饰,而与地点条件直接相连。

参考:[1] [2]

纤细桥面需要复杂的支承

两组各四根钢缆跨过两座河中桥墩,托住四米宽的铝制桥面及钢横梁;主跨为144米,主缆垂度只有2.3米。钢缆、钢梁和钢筋混凝土基础各有分工,轻薄桥面背后仍需要庞大的锚固体系。

1998年末先进行桥台考古开挖和准备工程。Monberg Thorsen与Sir Robert McAlpine组成的联合体承建主体,1999年四月开始打桩,2000年初安装上部结构。工程既要把力传入地基,也需处理河岸与既有设施的关系。主体建成后,仍须检验真实使用者进入桥面时的动态表现。

参考:[1] [3]

开放后出现意外横摆

2000年6月10日,桥梁向公众开放。Dallard等人的工程论文记录,开桥当天南跨横向位移可达50毫米,中跨可达70毫米。问题主要是人行引起的侧向振动,而不是把“悬索桥会晃”当作足够解释。6月12日,桥梁关闭,等待查明原因。

泰勒的报告记述,拥挤时有人难以正常行走,需要扶住栏杆;次日限制入桥人数后,横摆仍会间歇出现。桥梁开放带来的通行需求,因而与舒适、安全和容量发生直接冲突。这类使用性能问题不能简单等同于桥梁已经发生承重破坏,也不能仅凭静态荷载计算排除。

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行人和结构形成相互作用

早期解释常把这一事件归纳为人群步调趋于一致,反复推动桥梁。2021年贝雷赫等人在《自然通讯》发表的研究重新比较观测、实验和三类数学模型,指出同步并非触发失稳的必要前提:即使行人没有先互相协调,也可能通过保持平衡的动作,平均向桥梁侧向振动输入能量。

所谓“负阻尼”,不是说材料的摩擦凭空消失,而是行人与桥的相互作用抵消了结构原有的耗能作用。桥面移动会改变脚部落点和腿部作用力;若大量行人平均输入的能量超过结构耗散,振幅便可能增长。人群越多,这种反馈越值得重视,但临界人数还依赖结构和行走方式,不能把某一次试验人数当成所有桥的固定门槛。

在该研究模型中,步态更加一致往往出现在振动已经发展之后,属于后续调整。作者因此反对仅把桥梁频率避开某个行走频率就视为万无一失。这是对机制的后续科学解释,既不抹去早期实测记录,也不意味着研究者观察到了开桥当天每个人的全部动作。

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以耗能装置控制振动

改造需要保持桥梁外观。泰勒记载,增加桥墩或大量加劲结构会改变轮廓、影响河道,因此团队选择增加被动阻尼。目标不是取消步行功能,而是使行人输入的振动能量得到更有效的耗散,避免反馈持续放大。

梅因哈特等人的工程回顾给出装置分工:37个黏滞阻尼器由Taylor Devices提供;德国GERB提供四对侧向和二十六对竖向调谐质量吸振器。桥面下的A形构架放大局部相对运动,使阻尼器能在很小的位移下工作。竖向装置还防备侧向问题解决后可能出现的另一类振动;不能把全部设备统称为同一种减震器。

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验证后恢复通行

2002年1月30日,约二千人参加满载行走试验,以不同步速过桥,传感器同时记录响应。泰勒的报告将这些试验作为改造效果的验证,而非仅凭计算宣布成功。桥梁于2002年2月22日重新开放;伦敦交通局的年度正式报告也记录了当年二月完成振动整治后恢复通行。

后续表现仍需要检查。2017年工程回顾记述,2012年检查包括吸振器的腐蚀与活动状态,并把拆下的部分黏滞阻尼器送回制造商,按原有程序进行动态测试。测试所见性能变化很小,为继续使用这些装置提供了实测依据。

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使用者也进入了设计问题

千禧桥把文化设施之间的步行联系变成了可使用的城市空间,也使人群与轻型结构的相互作用成为需要系统研究的问题。其经过显示,开放日期、关闭调查、安装改造和重新通行是不同阶段,2000年的启用不能代表此后连续正常开放。

贝雷赫等人的研究还提醒,真实人群存在步幅、频率和行为差异,简单模型不能消除这些不确定性。更可靠的做法,是把观测、试验与足够的侧向耗能能力结合起来。这座桥的工程史因而不仅是一次异常和修复,也是把使用者从外加重量重新认识为动态系统参与者的过程。

参考:[4] [5]