造桥成中国人又一种族天赋

科普中国-科普融合创作与传播 2017-12-18

  201777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……” 

  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,困难也更。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,还要  

  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,我们还应该追求,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1/251/22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! 

责任编辑:科普云

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