[科普中国]-造桥成中国人又一种族天赋

2017年7月7日，港珠澳大桥主体工程迎来了全线贯通的历史时刻。

继去年9月主体桥梁贯通后，迄今世界最长、埋入海底最深、单个沉管体量最大、设计使用寿命最长、综合技术难度最高的沉管隧道——港珠澳大桥海底隧道也于今日顺利贯通。**这也标志着大桥主体工程的全线贯通，**年底港珠澳大桥将具备通车条件。

港珠澳大桥是连接香港、珠海、澳门的超大型跨海通道，它集桥、岛、隧道于一体，全长55公里，是世界上最长的跨海大桥，是中国建设史上里程最长、投资最多、施工难度最大的跨海桥梁。

在这些“世界之最”、“中国之最”的背后，项目建设者付出了艰苦努力，正是由于他们不断探索、不断攻关，工程在建设管理、工程技术、施工安全和环境保护等领域填补了多项空白。

其实，自古以来，中华民族都有天生的造桥基因。造桥，可以说是除了种菜外，中国人的又一种族天赋。

中华民族的造桥基因：秦始皇时代就有“跨海大桥”？

“逐日巡海右，驱石驾沧津。 征卒空九宇，作桥伤万人。”李白的诗《古风》（秦皇按宝剑）中就讲述了秦始皇在海边架桥以观日出的故事。秦始皇到底有没有耗费巨大的人力物力建造这样一座“跨海大桥”已经无法考证，但从中不难看出，从秦朝开始，古人已经开始想象跨海大桥这样的超级工程了。

从历史上来看，中国人在交通方面的思路十分“粗暴”直接：遇“川泽之阻则桥梁之”！

我国大型桥的修建历史或可追溯至周朝的渭河浮桥（公元前1184年），比西方的博斯普鲁斯海峡浮桥（前493年）早好几百年。

图 黄河铁牛地锚（拍摄：鹤运）

唐开元年间，人们开创性地使用“铁锁连舟”的结构形式，在黄河蒲津渡两岸布置带地锚的大铁牛（又称开元铁牛），浮桥以铁锁相连，最终锚固在铁牛上，牢固可靠。若不是出现了黄河改道这样的不可抗力因素，或许我们现在还能看到这座浮桥的伟貌。

除此之外，我国古人将石桥和木桥也做到了极致。

图 赵州桥（图片来源于网络）

河北赵州桥“初月出云，长虹饮涧”，屹立1400多年，依然用优美的弧线诠释力学之美。

图 福建木拱廊桥（图片来源于网络）

福建木拱廊桥将木构技艺与文化传承交融，“虹锁龙津，神庥万载”。

工业革命后，我国因为历史原因逐渐落后于西方，但新知识新技术的学习，又迅速唤醒了血液中的“造桥基因”。

图 钱塘江大桥（图片来源于网络 见水印）

我国著名的桥梁专家茅以升先生，在美留学期间完成了博士论文《桥梁桁架的次应力》，其成果被称为**“茅氏定律”。归国后，他主持修建我国第一座公路铁路两用桥——钱塘江大桥**，用“射水法”、“沉箱法”、“浮运法”等解决了建桥中的一个个技术难题。

茅以升的得意门生林同炎先生发展了预应力技术，在世界范围内广受赞誉，被称为**“预应力先生”**。预应力技术目前已在各类工程、特别是桥梁工程中广泛使用。

举世瞩目的桥梁建设成果

改革开放之后，我国的桥梁事业取得了举世瞩目的成就。

《人民日报》在一篇近期的文章中提及：“中国在过去5年间的造桥成就史无前例，无论从桥梁高度、长度还是难度上，中国桥梁建设者们屡创世界纪录。”

“数据显示，目前世界排名前10位的跨海长桥中，中国占据6座，分别是港珠澳大桥、杭州湾大桥、东海大桥、青岛海湾大桥、舟山大陆连岛工程、嘉绍大桥。世界排名前10位的斜拉桥，中国占据7座；世界排名前10位的悬索桥，中国占据6座……”

到目前为止，以下这些中国大桥都可以在世界上数一数二：

图 港珠澳大桥（图片来源于网络）

连接香港、珠海、澳门的港珠澳大桥是全长约50千米的跨海大桥，其中还有长约6.75千米的海底隧道，穿越伶仃洋。

图 南京大胜关长江大桥（图片来源于网络）

京沪高铁上的重要节点——南京大胜关长江大桥全长9.273千米，是世界首座六线铁路大桥，上可以时速300千米通高铁，下有32米净空，可容万吨巨轮通过。

图 北盘江特大桥（图片来源于网络）

贵州水盘高速公路上的北盘江特大桥跨越峡谷，全长1261米，最大墩高170米，在山谷之中最大跨度290米，结构形式（预应力混凝土空腹斜腿式连续刚构）为世界首创。

这里特别要指出，空腹斜腿式不是个武术动作……

斜腿的腿指的是柱子和桥面相接处的斜的梁，一般又叫“牛腿”。

图 天兴洲长江大桥（图片来源于网络）

位于武汉的天兴洲长江大桥，延续了武汉长江大桥公路铁路两用的优良传统，是当时世界上跨度最大的公铁两用桥。

桥梁尺寸的变大带来新的技术难题

**把小房子放大，是造不出通天塔的。把小桥的经验放大，也造不出大桥。**桥梁尺寸增加，出现了很多以前从未遇到的技术难题。可以说，大桥尺寸“大”，困难也更“大”。这些难题给科研工作者带来了很大的挑战。

1. 大型结构的自振频率（固有频率）更低、自振周期更长。大家一定听说过拿破仑军队整齐划一踏步过桥、引起桥梁损坏的故事，就是因为步伐与桥梁的自振频率一致了，引发了共振。

2. 结构自振周期与输入荷载的变化周期越接近，荷载引起的结构响应（振动）就越大。很多大桥的自振周期与地震波的卓越周期相近，这对桥梁的抗震很不利。

为此，科学家需要采取很多措施来保证抗震性能——例如，通过精细的计算分析寻找最危险的部位并加固、通过地基处理和设置隔震层等方式隔震、设置消能减震措施等等。

3. 除了地震之外，另一种动力荷载——风对桥梁的影响也很大。在一些情况下，空气中的涡流会造成桥梁持续的晃动（例如，美国塔科马海峡大桥事故）。这要求桥梁结构有合理的外形，以及抗风振的措施。必要时，还需要在风洞中做测试。

图 桥梁风洞试验

（图片来自http://tongjibao.cuepa.cn/show_more.php?doc_id=337447）

4. 长桥还会受到“行波效应”的影响。地震波的传播是有一定速度的，在波传播方向上，不同位置所处的运动速度、运动方向不同。例如，地震波传播方向和桥的走向一样，很有可能出现大桥两侧地基运动状态不一致的情况——举个极端的例子，如果左侧桥墩向左运动，右侧桥墩向右运动，两者之间的桥面板就很危险了。这种问题又叫“非一致地震输入”，这要求在设计阶段就要好好分析桥梁如何“尬舞”。

5. 和桥梁一起变大的还有那些埋在地下的看不见的结构。悬索桥的钢索拉力极大，需在大桥两侧设置“锚碇”，把钢索的端部锚固定住。著名的润扬大桥北侧锚碇承受了6.8万吨的主缆拉力，进行施工时，在桥北的粘土中开挖一50m深的基坑——在当时，这是世界上最深的深基坑。这无异于在豆腐上打洞，难度极大。不过，工程的顺利完成标志着我国的计算水平、施工水平、管理水平都达到了世界领先。

除了这些难题，大桥施工管理和质量监测、结构可靠性、材料耐久性等问题，也都曾是超大工程的“拦路虎”。现如今这些被攻克的难题，成为攀登基建高峰的垫脚石。

我们追求的不止是“高”，还要 “精”和“尖”

很多人有这样的疑问：

修建这样的大桥，是因为我们有交通需求。等这些大桥都修完了，我们的造桥技能是不是就只能锁在柜子里呢？

其实，土木工程领域的前沿研究不仅着眼于这些大项目，除了追求“高”，我们还应该追求“精”和“尖”，永不止步。

你猜，世界上最薄的桥能有多薄？

这里的厚薄是一个相对概念，用结构厚度和跨度的比值（高跨比）来衡量，比值越小桥越薄。

一般的公路桥的高跨比是1/25—1/22，目前世界上最小的高跨比则是1/42.5！只有普通桥梁的一半左右！

说出来您可能不信，这座桥就在北京，是北京万泉河的一座人行天桥。也就是说，您下楼买个菜，都可以指着天桥自豪地说：这就是世界第一！这就是我们的技术！