跨海大桥如何“乘风破浪”？

摘自：课堂内外初中版·科学少年 2023年11月第3周刊(总第1165期)

文/李彤(结构工程师)
编辑/毛颖

在海上架桥，绝对不是一件容易的事儿，不可避免地要面对恶劣自然环境和复杂工程难题的挑战。幸运的是，科技进步和工程创新赋予了跨海大桥各式各样的“超能力”，让它可以从容面对严苛自然力量的考验。下面，我们就来见识一下跨海大桥的“超能力”吧!

1.超能力之海底“扎根”
人们常说“地基不牢，地动山摇”。要想保障桥上汽车和火车的平稳通行，就要把大桥的“脚”稳稳地固定在海床上，也就是“打地基”。跨海大桥通常采用桩基础，它们形似桥墩底部垂直向下延伸的许多细长的钢筋混凝土“根须”(直径通常在0.8~3米)。“根须”在地基中，利用末端得到的支持力和它们与岩层之间的摩擦力来支撑上部的桥体。

★需要注意的是，地基和基础是两个不同的概念，地基是指直接承载桥梁的地壳结构，一般是坚硬的岩层;而“打地基”打造的实际上是基础，是大桥的最底部。它们二者就像人的脚和脚下的土地之间的关系。

2.超能力之围堰施工
有了根，如何在水中继续建造又成了一个难题。因为有潮汐、水流以及海浪的影响，使得尚未成型的混凝土无法维持固定的形状。这就需要第二项超能力一一围堰施工,也就是依赖人类强大的工程能力，在海中打造一块临时空间，抽出海水，来进行施工作业。

具体的围堰方式有多种，比如用一根根紧密排列的大型混凝土管围成封闭空间的，称作沉管围堰。而在泉州湾跨海大桥中，工程师们直接在海中安放了一个重490 吨，长41 米、宽27 米、高 10米的巨大钢盒子，这种方式也叫钢吊箱围堰。

3.超能力之智能合龙
与陆地建造不同，跨海大桥只能用以桥墩为出发点、悬空逐渐延长的方式建造。目前世界上跨度最长的跨海大桥是来自土耳其的 1915 恰纳卡莱大桥，其跨度达到2023米。如此远的距离，想保证合龙时毫米级的精度，仅凭肉眼来瞄准是不可能达到的。为此，聪明的工程师们准备了一系列高科技武器。

★钢材腐蚀的过程
钢材主要由铁元素构成，而海水和空气中飘散着大量的盐，形成了电解质，再加上氧气，三者构成了原电池(可以理解成微观尺度的干电池)。其中铁是电池正极，氧是负极，电解质是导线。形成通路后铁元素会源源不断地失去电子，并与得到电子的氧原子结合变成氧化铁，这就是腐蚀的过程。

4.超能力之挑战恶劣天气

台风是破坏力最强的自然现象之一，跨海大桥在它面前简直岌岌可危。首先，面对台风时，大桥这类“又细又长”的结构是属于柔软且轻的，这个特性使得它很容易随风摇摆。其次，除了正面抵抗风力之外，桥面还要避免共振和震颤现象。也就是当风与大桥的固有频率接近时，会极大地放大振动的幅度，十分危险。第三，工程师在设计时还要模拟动态的风、桥、车三者的相互扰动和互相影响，这又增加了计算的复杂度。
这些难题的解决之道就是找到一个近乎完美的形状，就像赛车一样，形状的细小差别都会最终反应在赛车的性能上。首先，为了减小风的压力，许多大桥的主梁会采用流线的外形，让风可以顺畅通过。而在避免共振方面，需要做的就是改变大桥的频率，这也与形状有关。就像在吹口哨时，嘴巴只有努成特定的形状，口腔和空气才会共振，发出响亮的哨声。此外，工程师们还在大桥的侧面增设了一些特定形状的气动构件，比如导风板、风嘴等，作用类似于赛车尾部的扰流板。最后，为了验证设计成果，工程师们往往还要在现实世界中按照一定比例制作一个大桥模型，放在风洞实验室里去试炼一番，以获得更准确、可靠和全面的数据。

5.超能力之抗腐蚀
跨海大桥要想度过100年的设计周期，还要提防另一个不可见的敌人——腐蚀作用。
要解决腐蚀问题，首先要做的是阻隔钢材与盐或氧的接触。例如泉州湾跨海大桥的主桥缆索就有着多重保护:外皮是双层塑料护套，内层覆盖了一层锌镀薄膜。并且，工程师还会稍稍放大钢材的用量，也就是允许一小部分钢材被腐蚀后仍能保证大桥的安全。
另一种常见的处理方式是在钢材表面刷油漆，例如美国著名的加州金门大桥，因为严重腐蚀，当地政府不得不雇佣油漆工常年为它补刷油漆。为避免这种浪费，我国的科学家和工程师研制应用了石墨烯制成的防腐涂料，不仅成本降低，还能为海洋腐蚀环境下的大桥提供长达 30年的防护寿命。
而为了保护混凝土中的钢筋，工程师会在混凝土中掺入粉煤灰等细小颗粒，来堵住混凝土表面的细小孔洞，从而增加混凝土的抗渗透能力;或用更“聪明”的办法——给钢筋外加电流。原理是为失去电子的铁原子补充电子，阻止铁原子和氧原子的结合，从而避免腐蚀。