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清新科学|新技术重建金门大桥

2022-12-13 20:30:20 1913

摘要:桥梁建筑史上的奇迹20世纪30年代,为打破旧金山发展遇到的壁垒,美国人打算建立一座桥梁,横跨金门海峡。金门海峡深度超过了91米,最窄的地方也有1632米长,由于直接与太平洋相对,海峡常年受到强大潮流的冲击,水速保持在每小时15千米以上。它还...

桥梁建筑史上的奇迹

20世纪30年代,为打破旧金山发展遇到的壁垒,美国人打算建立一座桥梁,横跨金门海峡。金门海峡深度超过了91米,最窄的地方也有1632米长,由于直接与太平洋相对,海峡常年受到强大潮流的冲击,水速保持在每小时15千米以上。它还距离1906年的旧金山地震震中很近。在海峡上建造桥梁,谈何容易!

尽管困难重重,旧金山的市民还是决心把它建起来。1933年,结构工程师约瑟夫·施特劳斯提交了他的桥梁设计。建设者们花了四年时间,耗费了10万多吨钢材,成功地建造起了当时世界上最大的悬索桥—金门大桥。建成的金门大桥全桥总长度达2737.4米,主跨1280米,宽度为27.5米,从海面到桥中心的高度约60米。虽然跨距很长,但其桥梁主体部分仅靠两根主缆所产生的巨大拉力,悬浮在半空之中,中间没有任何支撑,堪称是世界桥梁建筑史上的奇迹。

自1937年5月27日通车以来,金门大桥一直维持着其稳固性,成了美国加州标志性风景之一。那么,金门大桥的设计师们是如何克服困难,让其保持近80年屹立不倒的呢?如果用今天的技术对桥梁重新设计,我们又可以做出哪些改进呢?

注重每一个细节

金门大桥是一座悬索桥(吊桥),意味着它的主要承力部分是桥两端的两个钢塔,塔架间的钢缆会垂下许多细钢绳,把桥面吊住。桥面的重量及交通量会将钢缆向下拉,钢缆再将力传递到塔架上,并消散在地面下。同时,桥水平方向的强拉力会传递到岸边两端固定钢缆的装置上。

这种结构的桥梁在历史上并不罕见。早期热带原始人就用森林中的藤、竹、树茎等做成样式简单的吊桥,用于穿越山谷或者河流。几百年前,这些吊绳是由植物纤维制成的。20世纪初,大部分悬索桥塔是石头或钢做成的,但金门大桥的设计者必须使塔更轻巧灵活,从而对抗强风或地震。他们的创新就是把每平方米的中空钢化结构,用铆钉铆接在一起,一点点堆砌起来,光一个钢塔结构就用了60万个铆钉。

塔完工了,下一步就是建造缆线。缆线必须巨大,因为它们支撑着整个桥面以及吊绳的重量。可以想象的是,这条缆线必须建造得非常结实,因为如果缆线断裂,整个桥面将会崩塌。但显然,我们没法不出任何差错地建造一条又长又粗的缆线,所以设计师们采用了“聚麻成绳”的方法,用千万条细钢丝拧成一根缆线。

金门大桥的两根缆线由超过2.5万个独立金属丝绞成,每根金属丝并不粗,但是足够硬,一个人凭一己之力是不能将其折断的。建成的缆线达到2332米长,直径约达1米,随后,建筑师们还用压实机向每条缆线施加了超过7.3万千克的压力,以使其更紧实。自金门大桥1937年通车以来,这两条缆线是唯一没有被更换过的部分。

在桥面的设计上,金门大桥的建筑者们也花了不少心思。由于钢铁会热胀冷缩,或者因大风和地震而移动,桥面铺设的钢铁甲板被分成许多部分,与旁边的孔洞相衔接。由于这些孔洞,桥面将可以弯曲但不会断裂。此外,旧金山位于两个地质板块的交界处,同样出于安全的考虑,桥梁的两端还配备了减震器,以吸收来自风力或地震力的能量。

1983年,一个7.1级的地震袭击了旧金山,造成了约70亿美元的损失。房屋和道路倒塌,周边的奥克兰湾大桥遭受严重破坏,但受益于设计师们的精心设计,金门大桥完好无损。

如何重建金门大桥?

不过,即便金门大桥“固若金汤”,由于自然环境恶劣,强风、腐蚀性的海水和潜在的地震都在威胁着这座吊桥。总有一天,它会因为老化而无法使用。所以,有人建议重建金门大桥。那么,今天的工程师们会如何用最新的技术设计大桥呢?

桥梁承载的重量,自重占到70%~80%,随着时间的推移,这种结构可能会出现自重超过所能承载重力、钢铁生锈等问题。今天,借助新材料的应用,研究人员可以减轻桥身重量。一种方式是用纤维增强复合物材料取代钢铁或混凝土。这种复合材料用塑料树脂将玻璃纤维或者碳纤维粘合在一起,做成各种具有固定形状的坚硬制品。其强度比混凝土强5~6倍,但重量只有混凝土的1/4,而且它还具有极好的强度、优秀的耐腐蚀性。用这种材料建造桥梁,具有自重轻、施工方便等优势。

改造金门大桥的另一个重点是改造其缆线。目前缆线的主要构成成分是钢。而众所周知,钢容易生锈,而且比纤维增强复合材料重4倍,在金门海峡这样潮湿、盐分高的环境中,会更容易被侵蚀。但如果缆线由碳纤维制成,则会更加稳定。

比钢轻的新材料也可用于制造桥梁的其他部件,如桥面。使用塑料复合地板可以使桥面的甲板自重减少4/5,这将使今天的工程师可以设计一座横跨金门海峡的斜拉桥。斜拉桥与悬索桥的主要区别是斜拉桥可以不用缆线,缆绳会直接连接到吊塔上。

比起悬索桥,斜拉桥可以有更长的跨度,因此可以让金门大桥的一些支撑性建筑建造得更靠近岸边。比如,吊塔的地基就可以建造在水更浅的地方,这也有助于解决金门大桥兴建时面临的一个最主要问题:在深水下建造地基,需要面临强劲的水流,不仅异常困难,而且造价也很昂贵。

今天,人们也可以用更好的减震器,来帮助金门大桥对抗强风和更强的地震。当然,现在金门大桥依旧保存完好,真正重建尚待时日。

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