以下文章經 
The Conversation（一家報道最新研究進展的線上出版物）許可轉載。
2024 年 3 月 26 日，貨船碰撞摧毀了巴爾的摩的弗朗西斯·斯科特·基大橋，這引發了關於工程師在未來可以做多少工作來防止此類災難發生的問題。在此，特拉華大學土木與環境工程教授 邁克爾·J·查耶斯 討論了多年來橋樑設計規範的變化，以及建造新結構和改造現有結構的挑戰，以便它們能夠在極端事件中倖存下來
設計一座橋樑以承受摧毀弗朗西斯·斯科特·基大橋的力量有多難？
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一旦工程師瞭解了結構將承受的力，他們就可以設計一個結構來承受這些力。 也就是說，我們知道每種力都有可能發生的強度範圍。 例如，並非所有道路上的卡車重量都相同，並非所有地震的震級都相同，也並非所有船舶的重量都相同。 我們將力的這種可變性納入設計中。
即使按照給定的計劃建造，結構的最終強度也可能有所不同。 使用的材料強度各異。 例如，連續兩天交付的混凝土的最終強度會略有不同。 最終結構強度的這種可變性也在設計過程中考慮在內，以確保橋樑或建築物的安全。 我們無法使用同一套計劃建造兩座橋樑，並使它們的強度完全相同。
根據撞擊弗朗西斯·斯科特·基大橋的船舶的重量和速度，今天的美國橋樑設計規範要求將橋樑設計為抵抗 11,500 噸的側向力。 這意味著該橋樑有能力承受如此強度的側向撞擊。 這相當於大約 50 架滿載波音 777 飛機或埃菲爾鐵塔的重量。 雖然這是一個非常大的側向力，但結構可以設計為抵抗這種力。 摩天大樓通常被設計為抵抗風或地震造成的這種強度的側向載荷。 然而，這取決於一個人想在結構上花費多少，許多設計目標和約束需要相互平衡。
工程師採取哪些措施來確保極端事件中的安全？
我們對極端事件如何影響結構的認識在不斷發展。 其中一個非常明顯的領域是地震工程。 每次地震後，結構工程師都會了解哪些有效，哪些無效，然後建築物和橋樑設計規範就會發展。 基礎設施所有者還嘗試改造根據早期規範設計的現有結構。
船舶碰撞及其對橋樑的影響也是一個類似的領域，其理解不斷發展，設計規範不斷改進。 從 1960 年到 2015 年，全球發生過 35 起以上由船舶碰撞造成的大型橋樑坍塌事故。 工程師評估這些事故，並更新工程規範，以便更好地考慮船舶碰撞的影響。
自巴爾的摩大橋建成以來，橋樑設計有何發展？
弗朗西斯·斯科特·基大橋於 1970 年代初期設計。 1972 年開始施工，1977 年通車。 這早於1980 年佛羅里達州陽光高架橋的坍塌，該坍塌是由船舶碰撞引起的，類似於巴爾的摩發生的情況。 那次橋樑坍塌促使啟動了研究專案，最終於 1991 年制定了美國指南規範，並在 2009 年進行了更新。
根據該指南規範，橋樑設計規範已更改為包括船舶碰撞引起的力。 弗朗西斯·斯科特·基大橋的設計本不需要考慮船舶碰撞的影響。 當前的美國橋樑設計規範指出
“在預計會發生船舶碰撞的地方，結構應
• 設計為抵抗船舶碰撞力和/或
• 透過護舷、繫纜柱、護堤、島嶼或其他可犧牲的裝置充分保護。”
自 1970 年代以來的其他變化是，貨船的尺寸和重量都增加了。 1980 年撞毀陽光高架橋的船舶重 35,000 噸，而撞擊弗朗西斯·斯科特·基大橋的船舶重 95,000 噸。
隨著貨船重量的增加，防止船舶碰撞導致橋樑坍塌的最具成本效益的設計策略很可能是保護橋墩免受撞擊。 這可以透過建造橋樑碰撞保護系統來實現，該系統通常是圍繞橋墩並阻止船舶靠近橋墩的混凝土或岩石結構，就像保護我們的許多國家紀念碑一樣。
在重建陽光高架橋時安裝了橋墩保護系統，並且該系統已在許多其他橋樑上使用。 特拉華河和海灣管理局目前也在採用相同的方法，耗資 9300 萬美元保護特拉華紀念大橋的橋墩。
但是像弗朗西斯·斯科特·基大橋這樣的現有橋樑呢？ 橋樑所有者在尋找必要的財政資源來改造橋樑以滿足最新的設計規範，並考慮由於越來越重的船舶而增加的預期衝擊載荷方面面臨著巨大的挑戰。 這兩種情況都發生在這裡。 也就是說，設計規範發生了變化和改進，載荷變得更大。 工程師和基礎設施所有者盡最大努力確定有限的資金可以用於何處，以提高結構安全性並最大限度地減少結構失效的可能性。
大學可以做什麼？
結構工程師的首要任務是保護公眾並最大限度地降低對人類生命構成威脅的結構失效風險。 為了做到這一點，工程師必須能夠計算我們的結構可能承受的力。 這包括大型船舶意外撞擊橋樑，或發生大型地震或颶風的情況。
在這些極端情況下，結構幾乎肯定會遭受損壞，但是，如果可能的話，它應該足夠堅固以至於不會坍塌。 設計規範不斷更新，以適應新的知識、新材料和新的設計技術。 我們的結構的可靠性一直在提高。
對照舊規範建造的結構進行改造是一個持續的過程，而這場災難使這一過程成為關注的焦點。 美國有很多按照舊規範設計的基礎設施，而且有更大的卡車穿過我們的橋樑，更大的船隻從橋樑下方透過。
工程師永遠無法將失效的可能性降低到零，但他們可以將其降低到失效發生非常罕見的程度，並且僅在許多不可預見的情況結合在一起使結構容易坍塌的情況下才會發生。
本文最初發表於 The Conversation。 閱讀原文。