以下文章经 
The Conversation（一家报道最新研究进展的在线出版物）许可转载。
2024 年 3 月 26 日，货船碰撞摧毁了巴尔的摩的弗朗西斯·斯科特·基大桥，这引发了关于工程师在未来可以做多少工作来防止此类灾难发生的问题。在此，特拉华大学土木与环境工程教授 迈克尔·J·查耶斯 讨论了多年来桥梁设计规范的变化，以及建造新结构和改造现有结构的挑战，以便它们能够在极端事件中幸存下来
设计一座桥梁以承受摧毁弗朗西斯·斯科特·基大桥的力量有多难？
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一旦工程师了解了结构将承受的力，他们就可以设计一个结构来承受这些力。 也就是说，我们知道每种力都有可能发生的强度范围。 例如，并非所有道路上的卡车重量都相同，并非所有地震的震级都相同，也并非所有船舶的重量都相同。 我们将力的这种可变性纳入设计中。
即使按照给定的计划建造，结构的最终强度也可能有所不同。 使用的材料强度各异。 例如，连续两天交付的混凝土的最终强度会略有不同。 最终结构强度的这种可变性也在设计过程中考虑在内，以确保桥梁或建筑物的安全。 我们无法使用同一套计划建造两座桥梁，并使它们的强度完全相同。
根据撞击弗朗西斯·斯科特·基大桥的船舶的重量和速度，今天的美国桥梁设计规范要求将桥梁设计为抵抗 11,500 吨的侧向力。 这意味着该桥梁有能力承受如此强度的侧向撞击。 这相当于大约 50 架满载波音 777 飞机或埃菲尔铁塔的重量。 虽然这是一个非常大的侧向力，但结构可以设计为抵抗这种力。 摩天大楼通常被设计为抵抗风或地震造成的这种强度的侧向载荷。 然而，这取决于一个人想在结构上花费多少，许多设计目标和约束需要相互平衡。
工程师采取哪些措施来确保极端事件中的安全？
我们对极端事件如何影响结构的认识在不断发展。 其中一个非常明显的领域是地震工程。 每次地震后，结构工程师都会了解哪些有效，哪些无效，然后建筑物和桥梁设计规范就会发展。 基础设施所有者还尝试改造根据早期规范设计的现有结构。
船舶碰撞及其对桥梁的影响也是一个类似的领域，其理解不断发展，设计规范不断改进。 从 1960 年到 2015 年，全球发生过 35 起以上由船舶碰撞造成的大型桥梁坍塌事故。 工程师评估这些事故，并更新工程规范，以便更好地考虑船舶碰撞的影响。
自巴尔的摩大桥建成以来，桥梁设计有何发展？
弗朗西斯·斯科特·基大桥于 1970 年代初期设计。 1972 年开始施工，1977 年通车。 这早于1980 年佛罗里达州阳光高架桥的坍塌，该坍塌是由船舶碰撞引起的，类似于巴尔的摩发生的情况。 那次桥梁坍塌促使启动了研究项目，最终于 1991 年制定了美国指南规范，并在 2009 年进行了更新。
根据该指南规范，桥梁设计规范已更改为包括船舶碰撞引起的力。 弗朗西斯·斯科特·基大桥的设计本不需要考虑船舶碰撞的影响。 当前的美国桥梁设计规范指出
“在预计会发生船舶碰撞的地方，结构应
• 设计为抵抗船舶碰撞力和/或
• 通过护舷、系缆柱、护堤、岛屿或其他可牺牲的装置充分保护。”
自 1970 年代以来的其他变化是，货船的尺寸和重量都增加了。 1980 年撞毁阳光高架桥的船舶重 35,000 吨，而撞击弗朗西斯·斯科特·基大桥的船舶重 95,000 吨。
随着货船重量的增加，防止船舶碰撞导致桥梁坍塌的最具成本效益的设计策略很可能是保护桥墩免受撞击。 这可以通过建造桥梁碰撞保护系统来实现，该系统通常是围绕桥墩并阻止船舶靠近桥墩的混凝土或岩石结构，就像保护我们的许多国家纪念碑一样。
在重建阳光高架桥时安装了桥墩保护系统，并且该系统已在许多其他桥梁上使用。 特拉华河和海湾管理局目前也在采用相同的方法，耗资 9300 万美元保护特拉华纪念大桥的桥墩。
但是像弗朗西斯·斯科特·基大桥这样的现有桥梁呢？ 桥梁所有者在寻找必要的财政资源来改造桥梁以满足最新的设计规范，并考虑由于越来越重的船舶而增加的预期冲击载荷方面面临着巨大的挑战。 这两种情况都发生在这里。 也就是说，设计规范发生了变化和改进，载荷变得更大。 工程师和基础设施所有者尽最大努力确定有限的资金可以用于何处，以提高结构安全性并最大限度地减少结构失效的可能性。
大学可以做什么？
结构工程师的首要任务是保护公众并最大限度地降低对人类生命构成威胁的结构失效风险。 为了做到这一点，工程师必须能够计算我们的结构可能承受的力。 这包括大型船舶意外撞击桥梁，或发生大型地震或飓风的情况。
在这些极端情况下，结构几乎肯定会遭受损坏，但是，如果可能的话，它应该足够坚固以至于不会坍塌。 设计规范不断更新，以适应新的知识、新材料和新的设计技术。 我们的结构的可靠性一直在提高。
对照旧规范建造的结构进行改造是一个持续的过程，而这场灾难使这一过程成为关注的焦点。 美国有很多按照旧规范设计的基础设施，而且有更大的卡车穿过我们的桥梁，更大的船只从桥梁下方通过。
工程师永远无法将失效的可能性降低到零，但他们可以将其降低到失效发生非常罕见的程度，并且仅在许多不可预见的情况结合在一起使结构容易坍塌的情况下才会发生。
本文最初发表于 The Conversation。 阅读原文。