今天工程师如何建造金门海峡大桥?

自从1937年5月27日通车以来,金门海峡大桥就已经变成了美国国土的标志性地标。

1870年,人们已经意识到建造一个横跨金门海峡大桥的必要,以连接旧金山(San Francisco)和马林县(Marin County)。然后,直到半个世纪以后,结构工程师Joseph Strauss才对此提交了提案。该提案进一步发展,最后论证为建造悬索桥,花了4年多建造成。

金门大桥建成以后,被誉为全世界最长的悬索桥,由两个桥塔之间悬索来支撑路面,中间再没有其他的支撑点。这种设计本身存在着很大的挑战,当时共花费了大约3700万美元,如果是现在建造的话,那么可能将花费大概十亿美元。该桥的提案到底是如何酝酿了80年被提出的那?如果是我们的话,我们又如何从零开始建造那?!

1

悬索桥视图。红色的主缆的作用是把黑色吊索的力传导到蓝色的桥塔和锚碇上

世界上最长的悬索桥

金门大桥是一个悬索桥,利用张拉下的主缆和黑色的吊索以及受压情况下的桥塔来横跨一段距离,中间不需要其他的支撑点。桥面被由桥塔和锚碇之间的两个主缆上的许多吊索牵引着。吊索传导竖向力以及自重给主缆,主缆锚索在桥塔和桥头的地面上。

2

一个简单的织状悬索桥

这种类型的悬索桥一般利用柔韧的缆绳横跨在两个峭壁之间,用以横穿峡谷或者河流。几百年以前,缆绳主要由植物纤维制作,后来演化成钢铁链。纽约市1883年建成的布鲁克林大桥(Brooklyn Bridge)首次使用了钢索,最后变成一种悬索桥的标准。

桥塔一开始可能只是峡谷两边的单纯的岩石,后来工程师把它们演化成了块石和钢铁柱的结构体。例如,金门海峡大桥即是由每个桥头的桥墩和两个桥塔用作支撑;而桥塔基础建造在海底的基础上。

金门海峡大桥自从1937年通车以来,唯一没有变动的便是两个承载主缆。每一个主缆由27573根铅笔粗的钢丝构成。从桥的一头到另一头,施工队共悬挂了大概8000英里的钢缆。

不可能制造一根那么粗而且一点裂纹也没有完好无损的钢缆来作为主缆,更关键的是,如果这样的一根主缆如果断了,那么可能造成灾难性的变故。所以,改用许多更小的钢缆绞成的主缆,可以使得变故发生的更慢,使得人们更有时间来转移或躲避灾难。

3

大桥建设时期的施工人员,大概1935年左右。

自从人们第一次考虑在旧金山海湾建设一座大桥的时候,人们就一直考虑这么一个构筑物如何抵御该地区强风、激流以及可能强震的能力。旧金山位于两个活动板块的交界处,没有人想看到一个每天高达112000次车流量的大桥被地震摧毁。

为了避免这些问题,建造者在桥头放置了减震器来吸收强风以及地震导致的能量。这个具体设计的减震器是一个巨大的圆柱,其主要的核心被橡胶包着。放在一些关键位置上,它们也也可以吸收其他可能使得桥体破坏的能量。

保持桥体不变形

4

工人们监测和维护桥体

通常,一个工程项目在奠基仪式以后很快就会被建造起来。但是维护金门海峡大桥一直处于运行的极佳状态则需要长期严格的维护。80年来,敬业的养护工人一直致力于维护这座桥,重新上漆,替换腐蚀或者破坏的部件。

这些工作必须在一定的规范下被完成。例如,当连接桥体部件的上千个中的任何一个螺栓需要更换时,我们必须保证不能同时取掉两个,以便为了保证桥体抵御强风和强震的能力和安全。

当然也有一些结构维护的问题。由于时间效应以及温度变化,主缆和吊索有时候延长或者收缩,所以需要周期性的检查和再次拉紧。这种协调我们一般称作“调弦”,和音乐家调节琴弦,让乐器听起来更动听是非常相似的!

如果我们建造它,会有哪些变化那?

由于巨大的维护费用,一些人期望按照减少运行和维护成本的方式,重新建造金门海峡大桥。 忽略其政治背景上的可行性,如果可行,那么工程师们会如何重新设计这座桥那?

随着社会的发展,人们已经具备了更轻的材料。用纤维增强复合材料(FRPs)而不是钢筋或者混凝土是一个很好的减轻该巨大构筑物重量很好的方式。

桥的自重损耗了其抵抗力(桥破坏前所能承受的最大荷载)的70%-80%。因此,桥的自重减轻了,那么对其结构强度的要求也就降低了,所以可以采用造价更低更易建造的材料和设计。

例如,设计人员在西弗吉尼亚州的市场街桥(Market Street Bridge)的主缆采用了纤维增强复合材料(FRPs)。纤维增强复合材料利用塑料树胶把玻璃和碳素纤维粘合在一起,使得材料具有强度。它比混凝土轻四倍,强度却增加了5-6倍。

可能设计者首要的改变目标是金门海峡大桥上悬索的构成。在抵御湿度和温度的变化中,钢铁比新材料不耐腐蚀,而且更重,就像今天金门海峡大桥所面对的一样。碳缆(Carbon cables)是更耐腐蚀,已经广泛应用于世界各地。

5

斜拉桥,线缆直接连接桥体和桥塔

一些比铁更轻的新材料也可以应用于桥的其他部位,例如交通路面。用塑料合成桥面能使得金门海峡大桥桥面的减轻很多。这使得设计人员能够设计一个斜拉桥而不是悬索桥。斜拉桥的优势是可以去掉吊索,使得主缆把桥面的力传递给桥塔。世界上第一个碳素纤维复合材料制造的斜拉桥是瑞士的Stork Bridge,建成于1996年。

斜拉桥比悬索桥有更大的跨度,它的支撑与海滨之间的结构更加简单。建筑桥塔离海岸更近,所以水位更浅,所以避免了当时金门海峡大桥第一次建筑时的一个主要的问题:在水深激流的情况下,桥塔基础的施工更难而且成本更大!

塔科马海峡大桥

减震系统可以有更新的设计。用于金门海峡大桥主要的减震系统可以被新的技术所替代。它能够更好的抵御强风、交通荷载和地震荷载。该改进的技术可以预防类似塔科马海峡大桥似的破坏——当强风从一面吹过来的时候,桥体扭转崩塌。

尽管说了这么多,金门海峡大桥依然是很好的。尽管有其他可行的以及成本更低的选择,但是都不能替换掉金门海峡大桥作为建筑艺术标志的形象,以及他那富有富有传奇色彩的“橘黄色”。金门海峡大桥一直被密切的监视,以确保交通荷载、强风和地震荷载不要超过其应力极限。我们期望这伟大的杰作能够至少再跨越下一个伟大的80年。

原文:The Conversation

本文来自投稿,不代表沙鸥科报立场,如若转载,请注明出处:https://www.scieau.com/articles/2017063732

Copyright © 2016-2020 沙鸥科报 版权所有 - 沪ICP备16025919号