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【桥梁案例】深度探析:全球最长悬索桥是如何建成的?

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发表于 2017-4-27 15:58:54 |显示全部楼层

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明石海峡大桥(1991m,1998年,日本)


日本明石海峡大桥是全球最长吊桥,位于日本神户和离岛之间。

大桥主跨1991m,桥塔高298.3m,桥梁全长3911m。

它横跨4km宽的水路,迄今为止,强烈的台风、地震、海啸都未对桥梁结构造成破坏。

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明石海峡大桥结构图


明石海峡大桥为何能建设得如此之长?让我们从18世纪的英国谈起。


全新钢材:铸铁与钢

18世纪末的英国,已经在工业革命的影响下改头换面,然而在什罗普郡乡间,当地的发展却受到赛文河的阻碍。渡轮不足以应付两岸暴增的人货往来,解决的办法是建一座桥,但这并不容易办到。


这条河只有30m宽,传统做法是建造一座石拱桥。这是源自罗马时代的古老方式。但对于这一类桥梁,30m的跨度几乎就是极限。石拱要加宽,桥梁的高度也得增加。因为要保证桥梁的强度,桥拱必须要达到一定弧度。这样做的代价就是:桥拱的尺寸翻一倍,所用的石材就得增加7倍。桥拱承受的重量太大,桥梁注定被压垮。


怎样才能既保证质量又提升桥梁的规模?最好的办法是找到新的建材,既具有石材的强度和承重能力,质量又轻。


当时,人们已在制造厨具等小玩意时用到一种颇具潜力的材料,即加热后熔化成液体状的铁。把融化的金属倒进模子,冷却后脱模即可成形铸铁。但这种铸铁并不适合造桥。


因为送进火炉的焦炭含有杂质,烧出的铁因太脆而容易断裂。后来,什罗普郡一家铸造厂的工人发现当地的焦炭质量纯粹,炼出的铁强度高,用途广泛。


1779年,全球第一座铸铁桥开始动工。这座桥由170块预铸铁件构成,5条半圆形的拱肋组成30m长的桥拱。由于用铁取代了石块,整座桥仅重380t,人们将这座桥命名为“铁桥”。

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铁桥(30m,1779年,英国)


日本工程师明白,必须尽量让桥梁保持轻盈。于是他们像当年的铁桥建造者一样,使用了栅格状的预铸铸铁件。但因规模巨大,仍然用了25万t的钢材。


而钢有一个很大的缺点,易生锈。每年都有台风经过明石海峡,为了维护大桥的安全,专门有机器人负责找出桥上生锈的地方,并重新为这些受损部分刷漆,桥下吊着三个龙门架,工人可以方便地展开维修,车流也不会受干扰。

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机器人检修结构受损


铁桥证明了工程师可以用铁取代石材,打造出超过30m的桥梁,不过要横跨177m的梅奈海峡,似乎就没那么简单。这需要天分以及从前人那里获取足够的经验。


19世纪,威尔士的梅奈海峡是人们前往爱尔兰时可怕的障碍。接受横越这条诡谲水道任务的工程师名叫托马斯·特尔福德,一位62岁自学成才的苏格兰人。他考虑用铸铁盖一座拱桥。


但这样做,施工中肯定会用到脚手架来支撑桥拱,往来船只便会受到阻碍。规划师不接受该做法,他只好从原始的桥梁设计中寻找灵感。

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梅奈海峡大桥(177m,1827年,威尔士)


绳桥自古就被当作过河的工具,任何形式的桥梁最大的关键都是锚固点。要建造真正的现代吊桥,工程师必须解决桥面下沉的问题。解决方法是用石塔吊桥,将绳索往下拉,将桥面拉平。问题是如何在两端固定铁链?将锚具固定在岩石中是一个方法。


梅奈海峡大桥是现代吊桥的第一件杰作,也为未来的桥梁发展照亮了曙光。而为明石海峡大桥进行锚固,日本工程师面临的挑战更为艰巨。


大桥悬索用的不是铁链,而是厚重的钢缆。与梅奈海峡不同,这里没有坚固的岩石可供固定。只能在海岸线上打造锚固点。


他们挖了一个巨洞来打造桥基,灌注了23万m3的混凝土。接着又运来巨大的金属构架,这些构架必须牢牢固定住锚固桥梁的钢缆,所以必须用混凝土包裹,他们分别浇灌了5个混凝土砌块,砌块之间的缝隙可以散热,避免混凝土龟裂,等凝固之后,再进一步用混凝土填满空隙,最后建筑的实心砌块高度超过50m。


梅奈海峡大桥让桥梁设计师见识了兴建大型桥梁的新工法。而1851年美国工程师在修建吊桥横跨尼加拉瀑布250m的峡谷时面临的困难更艰巨,该吊桥须承载300t重火车,因此,强度与长度一样重要。


诸如特尔福德所用的大铁链看起来坚实无比,但薄弱环节会令铁链强度变得有限。曾发生的悲剧证明这一点。


1845年在英格兰城镇的大雅茅斯,约300人同时挤上一座吊桥观赏马戏团的特技表演,此时一群鹅拉着坐在筒子里的男人在游泳。当游到桥附近时,观众们为了看得更清楚,全都拥挤到了桥的一边,重量突然转移,铁链负荷过重而断裂。桥面坠落到河中,造成79人身亡,其中59人是儿童。


6年后负责在尼亚加拉峡谷建桥的工程师需要比铁链更加坚固的材料来支撑桥面。因为该桥梁还得额外承载火车的重量。如果将铁拉成一股细丝,强度就会增加。


工程师计算后得知:大约3500条铁丝构成的缆索足以承受桥梁和火车的重量。但900t重的缆索工人们根本吊不起来,工程师想到一次运送两股铁丝的办法。将一圈铁丝用滑轮拉到峡谷对岸,到对岸后把铁丝拴在锚具上,然后把滑轮送回来再挂上一圈铁丝。运送完1820趟后,一条铁缆才得以制成。每条铁缆由3640条铁丝构成,4条铁缆吊住大桥。


1855年,尼亚加拉瀑布大桥通车。第一列由美国驶往加拿大的火车顺利通过。这座桥早经历过翻新,但用缆索支撑桥面的做法后人仍然在继续使用。

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尼亚加拉瀑布大桥(251m,1855年,加拿大)


钢缆越强有力,工程师建造的桥梁单一跨度就越大。但有的水路太宽,单跨桥梁不可能实现。此时,索塔就得建到河中央,深入到河床中。


全新工法:水底施工与蜂巢结构

1874年,工程师计划兴建一座大桥,连接布鲁克林与曼哈顿。可是锚固桥墩是个大问题。


19世纪的纽约是全美发展最快的城市之一。然而城市的快速扩张受到了群岛地理条件的限制。早在摩天大楼出现之前,曼哈顿岛就要为邻近地区的工人提供劳务。盖一座横跨600m宽东河的桥梁成为必须。单跨桥梁根本跨不过去,不得不在河中兴建桥墩。


这条河流在曼哈顿边深达9m,岩床上方压着淤泥和污物。在污泥上兴建桥塔,塔基会很不稳定,为了穿过淤泥,凿开地下的岩床,工人必须24h在水底工作。工程师想出了一个沉箱的解决方案。将以厚木板打造的巨大箱形结构落在河床上,为125位工人提供作业空间。箱形结构壁面往下逐渐变细,最下部边缘非常锐利,用来切开淤泥。


沉箱在陆地上建好,用强大的拖船拖入河中。工程师用数吨重的花岗岩砌块将沉箱下沉到河底。但在工人进入沉箱施工之前,必须把沉箱里的水抽干,避免河水再度涌入。


1883年5月24日,布鲁克林大桥诞生了。

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布鲁克林大桥(486m,1883,美国)


日本明石海峡大桥建造难度更高。工程师必须在60m深的明石海峡中打造塔基。可以用巨型挖泥船开挖海床地基。不过日本人的塔基还是由沉箱构成。沉箱高70m,宽80m,由钢材而非木材制成。


由于体积太大,每只沉箱要动用12艘拖船才能在挖开的海床上定位。沉箱有外墙和内墙两层,中间是环形分隔仓,使之浮在海面上。为使沉箱下沉,工程师在分隔仓中灌入海水。一旦在海床上定位,中央密封舱海水便会立即排出。


此时,注入潮湿的混凝土,这种特制的混凝土在水中也能保持凝聚力。最后在沉箱上做好混凝土加盖,整根墩柱就完成,随时作为塔基使用。


沉箱挖的越深,桥梁就能建的越长。不过要横越1.6km里的金门海峡,连接旧金山市和邻近的玛林县,造桥者还得设法盖出更高的桥塔才行。


第一次世界大战后的10年时间,海峡湾区的交通流量暴增了7倍,渡轮已无法应付。于是工程师在1933年开始规划兴建全球最长的吊桥。任何吊桥要达到力的平衡,缆索都必须形成某种弧度,为了维持这个形状,工程师要加长车道,桥塔的高度也相应增加,极其复杂的工程学挑战随之而来。


如果跨度是1280m,工程师就得把缆索悬挂在桥面以上152m,桥塔必须高达270m。然而修长的桥塔会被自己的重量压变形。另一个选择是将桥塔盖得厚实些。可是任何能够抗变形的石塔底部都至少宽50m,势必会阻碍船只往来,影响桥梁美观。这座桥的桥塔需要更加坚固,更加轻盈的建材。


造桥者没有选择石砌块,而是换成了钢板。最后以空心竖井取代实心石块。桥塔可以从头到尾保持修长。钢材增加了桥塔的柔韧度,使其不会被缆索压变形。不过,桥塔升高,建造的风险也随之增加。蜂巢结构要结合固定好,需要安装一百多万枚铆钉,这是造桥者有史以来第一次戴着安全帽、安全面罩和安全索进行作业。

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金门大桥(1280m,美国,1937年)


如今全球最高的吊桥索塔已经非日本明石海峡大桥莫属。其高度达到300m,比金门大桥的索塔都高出70m。先进的机器人焊接技术和150万颗优质的老式螺栓,将桥塔牢牢地结合在一起。


建造更加高的桥塔,能够让吊桥跨越更高的距离。但随着跨度增长,桥梁扭曲和折弯的风险也随之增加。因此,桥梁设计必须经受住大自然的某种摧毁力——风的考验。


抗风与抗震

1940年,华盛顿州横跨塔科马海峡的新桥建成通车后,出现一个致命缺陷,即使风势不大,桥面也会上下摆动。到后来,桥面开始发生扭曲,以至于最后,整座桥都倒塌了。


工程师们现在已经明白了结构失灵的原因。当侧向风吹向桥梁时,气流受到干扰,桥面上下就会产生漩涡,各个区域由于压力不同,会承受向上或者向下不同的作用力。一旦桥面开始移动,桥梁也会随之开始弯曲,解决方法是将桥面两侧的轮廓设计成流线型。这样风从中间被切开,会安全地吹向路面上下。

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流线型抗风设计


1946年,工程师考虑用这种设计新建一座更长的新桥。他们必须横跨纽约港1.6km的入口,穿越韦拉扎诺海峡。由于预计往来车流会很频繁。工程师设计了12条车道,分成上下两层桥面,但双层桥面的流线型边缘或许并不能安全引开风势,反而还会造成气流相撞,造成进一步干扰。因此他们决定,与其转移风力,不如为桥面加固防风屏障。以免桥面扭曲或者折弯。


最有效的加固方法是用一个大箱子来包裹桥面,但是他们知道桥梁的钢缆绝对无法承受住2km长钢制箱形物的重量。于是便用纤细的钢杆组装成一个个轻质钢骨架组件,再将75个组件组合成一个巨型的开放式格状钢结构,让风在桥梁里通行无阻。

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开放式格状钢结构抗风设计


这个独特的设计足以抵抗住强大的大西洋暴风。支撑12车道的车流也不成问题。每天将近20万辆车经由这座双层车辆从布鲁克林和皇后区前往斯塔腾岛,大西洋的主要公路系统都与之衔接了起来。1964年竣工时的韦拉扎诺大桥是当时世界上最长也最重的吊桥,是现今纽约市的地标性建筑之一。


韦拉扎诺大桥是美国造桥工程一个伟大时代的巅峰之作,由于设计精良,30多年后,日本人仍采用这种开放式箱形物的概念来加固明石海峡大桥桥面。

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韦拉扎诺大桥(1298m,美国,1964年)


韦拉扎诺大桥的防风功能减轻了大型桥梁跨越危险渡口所受的威胁,但要兴建全球最长的吊桥,工程师还得克服一种足以撼动结构根基的自然力量——地震。


日本位于全球地震最为频繁的地区之一,由于地质不稳定,工程师认为日本并不适合修建全球最长的吊桥。如果吊桥下的地底因地震而摇晃,最严重的情况,举个例子,整座桥塔都会倾倒。这样会造成巨大灾难。


对付地震的第一道防线正是桥塔本身,以钢材打造的桥塔十分柔韧,一旦发生地震,钢塔会随地面移动,吸收震动。第二层防护则在每个桥塔的内部,那是20个巨大的摆锤,也即阻尼器。10t重的阻尼器悬挂在支架上,如果地震使得桥塔摇向一边,巨大的液压式阻尼器就会朝反方向摆动,抵消晃动的力量,防止桥塔倒塌。


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发表于 2017-4-27 16:26:36 |显示全部楼层
好极了,膜拜。

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12周年站庆

发表于 2017-4-27 21:57:23 |显示全部楼层
值得学习的,好资料。多谢楼主!

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感谢楼主分享·~

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伟大的工程师!!!

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发表于 2017-4-28 14:03:45 |显示全部楼层
值得学习的,好资料。多谢楼主!

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发表于 2017-4-28 20:21:09 |显示全部楼层
世界建桥发展记实。

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发表于 2017-4-29 00:14:51 |显示全部楼层
谢谢楼主资料分享

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发表于 2017-4-29 08:22:39 |显示全部楼层
多谢楼主分享资料

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三十而立 七天大胜

发表于 2017-4-29 09:47:40 |显示全部楼层
非常感谢楼主分享!!!

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