跨海大橋、長(zhǎng)江大橋?yàn)槭裁春芏嗍菑澋?/h1>

2021-09-22 08:52:53

科學(xué)大觀園訂閱 2021年15期 收藏

關(guān)鍵詞：橋梁設(shè)計(jì)

去年7月，世界最大跨度公鐵兩用斜拉橋——滬蘇通長(zhǎng)江公鐵大橋正式通車。滬蘇通長(zhǎng)江公鐵大橋全長(zhǎng)約11千米，橋位所處的江面寬約5.8千米，大橋在跨江時(shí)有個(gè)明顯的“拐彎”，遠(yuǎn)看似一座被“折彎”的大橋。那么為什么滬蘇通長(zhǎng)江公鐵大橋和許多跨海大橋、長(zhǎng)江大橋一樣是彎的呢？

從理論上講，工程師們希望盡可能地將所有的橋都設(shè)計(jì)成直的。原因很簡(jiǎn)單，兩點(diǎn)之間線段最短，直的大橋不僅省材料、省人工，更關(guān)鍵的是省腦。相比起受力簡(jiǎn)單、基本屬于平面受力結(jié)構(gòu)的直橋，彎橋的受力要復(fù)雜許多倍。彎矩、扭矩、彎扭聯(lián)合作用，使得彎橋的受力令人難以捉摸，計(jì)算和設(shè)計(jì)都變得十分復(fù)雜。

因此，對(duì)于那些比較短的大橋，尤其是跨河、跨谷的單跨部分，工程師們都是盡可能地讓它們保持直線，這樣可以盡可能地簡(jiǎn)化受力，最大限度確保安全。

可是跨海大橋就不同了，它的橋長(zhǎng)動(dòng)輒幾十公里，比如我們所熟知的港珠澳大橋，主橋長(zhǎng)55千米;東海大橋，長(zhǎng)32.5千米……所有這些跨海大橋就沒(méi)有一條是直的，這是為什么呢？

要知道“跨海大橋?yàn)槭裁词菑澋摹?，我們可以先從“公路為什么是彎的”開(kāi)始講起，開(kāi)在高速公路上時(shí)，我們一定會(huì)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論你怎么開(kāi)，前方的道路永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)超過(guò)三分鐘的連續(xù)直路，舒舒服服地開(kāi)上一小會(huì)兒，總是要拐一下，避讓開(kāi)什么東西，或者干脆什么也沒(méi)有的時(shí)候也會(huì)轉(zhuǎn)彎。這一方面是因?yàn)?，陸地上難免會(huì)有些丘陵起伏，最好的辦法就是讓我們的道路稍微拐拐繞過(guò)它們;而另一方面，長(zhǎng)時(shí)間的直線駕駛會(huì)令駕駛員迅速疲勞，釀成事故。因此，即使是幾十公里的大平原，工程師們也會(huì)故意將道路設(shè)計(jì)得拐上幾個(gè)彎，讓司機(jī)動(dòng)動(dòng)手，動(dòng)動(dòng)腦，可以十分有效地降低事故發(fā)生率。

與那些只有一兩公里長(zhǎng)的河上“小橋”不同，動(dòng)輒三五十公里的跨海大橋本質(zhì)上也是一條高速公路。司機(jī)在上面開(kāi)車，如果不去隔三岔五地拐幾個(gè)彎兒，也是很容易疲勞、很容易出事故的。光憑這一點(diǎn)，跨海大橋有點(diǎn)彎曲，從而引導(dǎo)駕駛員的視線來(lái)避免視覺(jué)疲勞和精神懈怠，這也是很正常的。

滬蘇通長(zhǎng)江公鐵大橋是南接蘇州張家港，北連南通市，位于蘇通長(zhǎng)江公路大橋上游、江陰長(zhǎng)江公路大橋下游，是通滬鐵路、通蘇嘉甬鐵路、錫通高速公路共同的過(guò)江通道。大橋上層為雙向六車道高速公路，設(shè)計(jì)速度100千米/小時(shí);下層為雙向四線鐵路。滬蘇通長(zhǎng)江公鐵大橋采用主跨1092米的鋼桁梁斜拉橋結(jié)構(gòu)，也是世界上首座超過(guò)千米跨度的公鐵兩用橋梁。

從航拍的照片上看，滬蘇通長(zhǎng)江公鐵大橋在主橋往天生港航道橋過(guò)渡的一段有一個(gè)明顯的大彎。遠(yuǎn)看如長(zhǎng)虹臥波，平添藝術(shù)感。

滬蘇通長(zhǎng)江公鐵大橋?yàn)槭裁幢辉O(shè)計(jì)成彎曲的？還得從水文條件與橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)系說(shuō)起。

原來(lái)，大橋所跨越的這一段長(zhǎng)江，水位總體呈現(xiàn)兩側(cè)深、中間淺的格局。水位較深的位置，一個(gè)是靠近南岸的主航道，還有一個(gè)是靠近北岸的天生港航道，該航道是由江水漲落潮逐漸形成，專為附近的大型船舶修造企業(yè)提供航路。滬蘇通長(zhǎng)江大橋的主航道橋和專用航道橋就分別修建在這兩個(gè)航道上方。兩座橋的中間，有一座江中島，名叫“長(zhǎng)青沙”。在長(zhǎng)青沙的影響下，原本連成一塊的長(zhǎng)江航道被分成主航道和專用航道，兩個(gè)航道的水流方向也變得不再一致，存在約25度的角度差。

中鐵大橋局副總工程師、滬蘇通長(zhǎng)江公鐵大橋總工程師李軍堂介紹，一般而言，行駛的輪船在通過(guò)航道時(shí)，應(yīng)盡可能與橋身垂直，或者說(shuō)讓行駛的輪船與水流方向盡可能處于同一直線，從而降低輪船撞上橋墩的風(fēng)險(xiǎn)。

在這一設(shè)計(jì)原則的指導(dǎo)下，主航道橋與專用航道橋分別采取了不同的“姿態(tài)”面向航道，于是滬蘇通長(zhǎng)江公鐵大橋就在兩個(gè)航道中間的水域出現(xiàn)了一個(gè)“拐彎”?？梢哉f(shuō)，滬蘇通長(zhǎng)江公鐵大橋設(shè)計(jì)成彎曲狀，主要是基于安全方面的考慮。

事實(shí)上，跨海大橋的彎曲受多種因素影響。其中最重要的原因就是地質(zhì)環(huán)境，海洋的底部并不像它的表面那樣平整，而是充滿了丘陵起伏。受到海水和海洋生物的腐蝕后，海底的地質(zhì)環(huán)境也會(huì)千奇百怪，有的地方是堅(jiān)固的基巖，可以直接把橋墩架在上面;有的地方則是疏松的淤泥，需要打下深深的樁到幾十米以下的基巖上，橋墩才能穩(wěn)固;有些地方則干脆就是斷裂帶，根本就不能搭建任何建筑物，更別說(shuō)幾萬(wàn)噸重、設(shè)計(jì)壽命120年的大橋了。

滬蘇通長(zhǎng)江公鐵大橋是世界首座跨度超千米的公鐵兩用斜拉橋。圖片|江蘇省交通運(yùn)輸廳

大橋的布線，還要考慮到最重要的一點(diǎn)：海洋中的洋流和海流。在海洋中，海水是24小時(shí)不停地流動(dòng)的，而且全年無(wú)休，這會(huì)持之以恒地對(duì)大橋造成沖擊，它的流動(dòng)雖然有一定的規(guī)律可循，但卻來(lái)自多個(gè)方向。橋梁太長(zhǎng)，跨過(guò)的水域太廣，而不同的水域可能有不同的水流方向，所以在橋梁延伸到不同的地方時(shí)，也要采取不一樣的走向。通過(guò)設(shè)計(jì)S形曲線，能讓水流通過(guò)引導(dǎo)減少對(duì)橋梁造成的傷害。

橋梁設(shè)計(jì)師還會(huì)考慮風(fēng)力因素。反復(fù)無(wú)常的臺(tái)風(fēng)在水面以上不停地襲擾著大橋，面對(duì)這種來(lái)自四面八方的橫向力，直橋的抵抗能力很差，彎曲的橋梁在遇到大風(fēng)時(shí)，會(huì)比直線橋更“堅(jiān)挺”。另外，從美學(xué)角度說(shuō)，橋梁設(shè)計(jì)成彎曲狀易建立藝術(shù)性和美感。

◎ 來(lái)源| 綜合揚(yáng)子晚報(bào)、成都交通運(yùn)輸局

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