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    深度探析:全球最長懸索橋是如何建成的?

    發布時間 | 2017-03-22 09:25:54 閱讀 | 6830

    明石海峽大橋(1991m,1998年,日本)
     
    直到現在,日本明石海峽大橋依然保持著全球最長懸索橋的記錄。它是如何建成的?
     
    日本明石海峽大橋是全球最長吊橋,位于日本神戶和離島之間。大橋主跨1991m,橋塔高298.3m,橋梁全長3911m。它橫跨4km寬的水路,迄今為止,強烈的臺風、地震、海嘯都未對橋梁結構造成破壞。
    明石海峽大橋結構圖
     
    明石海峽大橋為何能建設得如此之長?讓我們從18世紀的英國談起。
     
    全新鋼材:鑄鐵與鋼
     
    18世紀末的英國,已經在工業革命的影響下改頭換面,然而在什羅普郡鄉間,當地的發展卻受到賽文河的阻礙。渡輪不足以應付兩岸暴增的人貨往來,解決的辦法是建一座橋,但這并不容易辦到。
     
    這條河只有30m寬,傳統做法是建造一座石拱橋。這是源自羅馬時代的古老方式。但對于這一類橋梁,30m的跨度幾乎就是極限。石拱要加寬,橋梁的高度也得增加。因為要保證橋梁的強度,橋拱必須要達到一定弧度。這樣做的代價就是:橋拱的尺寸翻一倍,所用的石材就得增加7倍。橋拱承受的重量太大,橋梁注定被壓垮。
     
    怎樣才能既保證質量又提升橋梁的規模?最好的辦法是找到新的建材,既具有石材的強度和承重能力,質量又輕。
     
    當時,人們已在制造廚具等小玩意時用到一種頗具潛力的材料,即加熱后熔化成液體狀的鐵。把融化的金屬倒進模子,冷卻后脫模即可成形鑄鐵。但這種鑄鐵并不適合造橋。因為送進火爐的焦炭含有雜質,燒出的鐵因太脆而容易斷裂。后來,什羅普郡一家鑄造廠的工人發現當地的焦炭質量純粹,煉出的鐵強度高,用途廣泛。
     
    1779年,全球第一座鑄鐵橋開始動工。這座橋由170塊預鑄鐵件構成,5條半圓形的拱肋組成30m長的橋拱。由于用鐵取代了石塊,整座橋僅重380t,人們將這座橋命名為“鐵橋”。
    鐵橋(30m,1779年,英國)
     
    日本工程師明白,必須盡量讓橋梁保持輕盈。于是他們像當年的鐵橋建造者一樣,使用了柵格狀的預鑄鑄鐵件。但因規模巨大,仍然用了25t的鋼材。而鋼有一個很大的缺點,易生銹。每年都有臺風經過明石海峽,為了維護大橋的安全,專門有機器人負責找出橋上生銹的地方,并重新為這些受損部分刷漆,橋下吊著三個龍門架,工人可以方便地展開維修,車流也不會受干擾。
    機器人檢修結構受損
     
    鐵橋證明了工程師可以用鐵取代石材,打造出超過30m的橋梁,不過要橫跨177m的梅奈海峽,似乎就沒那么簡單。這需要天分以及從前人那里獲取足夠的經驗。
     
    19世紀,威爾士的梅奈海峽是人們前往愛爾蘭時可怕的障礙。接受橫越這條詭譎水道任務的工程師名叫托馬斯·特爾福德,一位62歲自學成才的蘇格蘭人。他考慮用鑄鐵蓋一座拱橋。但這樣做,施工中肯定會用到腳手架來支撐橋拱,往來船只便會受到阻礙。規劃師不接受該做法,他只好從原始的橋梁設計中尋找靈感。
    托馬斯·特爾福德
    梅奈海峽大橋(177m,1827年,威爾士)
     
    繩橋自古就被當作過河的工具,任何形式的橋梁最大的關鍵都是錨固點。要建造真正的現代吊橋,工程師必須解決橋面下沉的問題。解決方法是用石塔吊橋,將繩索往下拉,將橋面拉平。問題是如何在兩端固定鐵鏈?將錨具固定在巖石中是一個方法。
     
    梅奈海峽大橋是現代吊橋的第一件杰作,也為未來的橋梁發展照亮了曙光。而為明石海峽大橋進行錨固,日本工程師面臨的挑戰更為艱巨。
     
    大橋懸索用的不是鐵鏈,而是厚重的鋼纜。與梅奈海峽不同,這里沒有堅固的巖石可供固定。只能在海岸線上打造錨固點。
     
    他們挖了一個巨洞來打造橋基,灌注了23m³的混凝土。接著又運來巨大的金屬構架,這些構架必須牢牢固定住錨固橋梁的鋼纜,所以必須用混凝土包裹,他們分別澆灌了5個混凝土砌塊,砌塊之間的縫隙可以散熱,避免混凝土龜裂,等凝固之后,再進一步用混凝土填滿空隙,最后建筑的實心砌塊高度超過50m。
     
    梅奈海峽大橋讓橋梁設計師見識了興建大型橋梁的新工法。而1851年美國工程師在修建吊橋橫跨尼加拉瀑布250m的峽谷時面臨的困難更艱巨,該吊橋須承載300t重火車,因此,強度與長度一樣重要。
     
    諸如特爾福德所用的大鐵鏈看起來堅實無比,但薄弱環節會令鐵鏈強度變得有限。曾發生的悲劇證明這一點。
     
    1845年在英格蘭城鎮的大雅茅斯,約300人同時擠上一座吊橋觀賞馬戲團的特技表演,此時一群鵝拉著坐在筒子里的男人在游泳。當游到橋附近時,觀眾們為了看得更清楚,全都擁擠到了橋的一邊,重量突然轉移,鐵鏈負荷過重而斷裂。橋面墜落到河中,造成79人身亡,其中59人是兒童。
    大雅茅斯塌橋事件
     
    6年后負責在尼亞加拉峽谷建橋的工程師需要比鐵鏈更加堅固的材料來支撐橋面。因為該橋梁還得額外承載火車的重量。如果將鐵拉成一股細絲,強度就會增加。
     
    工程師計算后得知:大約3500條鐵絲構成的纜索足以承受橋梁和火車的重量。但900t重的纜索工人們根本吊不起來,工程師想到一次運送兩股鐵絲的辦法。將一圈鐵絲用滑輪拉到峽谷對岸,到對岸后把鐵絲拴在錨具上,然后把滑輪送回來再掛上一圈鐵絲。運送完1820趟后,一條鐵纜才得以制成。每條鐵纜由3640條鐵絲構成,4條鐵纜吊住大橋。
     
    1855年,尼亞加拉瀑布大橋通車。第一列由美國駛往加拿大的火車順利通過。這座橋早經歷過翻新,但用纜索支撐橋面的做法后人仍然在繼續使用。
    尼亞加拉瀑布大橋(251m,1855年,加拿大)
     
    鋼纜越強有力,工程師建造的橋梁單一跨度就越大。但有的水路太寬,單跨橋梁不可能實現。此時,索塔就得建到河中央,深入到河床中。
     
    全新工法:水底施工與蜂巢結構
     
    1874年,工程師計劃興建一座大橋,連接布魯克林與曼哈頓??墒清^固橋墩是個大問題。
     
    19世紀的紐約是全美發展最快的城市之一。然而城市的快速擴張受到了群島地理條件的限制。早在摩天大樓出現之前,曼哈頓島就要為鄰近地區的工人提供勞務。蓋一座橫跨600m寬東河的橋梁成為必須。單跨橋梁根本跨不過去,不得不在河中興建橋墩。
     
    這條河流在曼哈頓邊深達9m,巖床上方壓著淤泥和污物。在污泥上興建橋塔,塔基會很不穩定,為了穿過淤泥,鑿開地下的巖床,工人必須24h在水底工作。工程師想出了一個沉箱的解決方案。將以厚木板打造的巨大箱形結構落在河床上,為125位工人提供作業空間。箱形結構壁面往下逐漸變細,最下部邊緣非常銳利,用來切開淤泥。
     
    沉箱在陸地上建好,用強大的拖船拖入河中。工程師用數噸重的花崗巖砌塊將沉箱下沉到河底。但在工人進入沉箱施工之前,必須把沉箱里的水抽干,避免河水再度涌入。
     
    1883年5月24日,布魯克林大橋誕生了。
    布魯克林大橋(486m,1883,美國)
     
    日本明石海峽大橋建造難度更高。工程師必須在60m深的明石海峽中打造塔基??梢杂镁扌屯谀啻_挖海床地基。不過日本人的塔基還是由沉箱構成。沉箱高70m,寬80m,由鋼材而非木材制成。
     
    由于體積太大,每只沉箱要動用12艘拖船才能在挖開的海床上定位。沉箱有外墻和內墻兩層,中間是環形分隔倉,使之浮在海面上。為使沉箱下沉,工程師在分隔倉中灌入海水。一旦在海床上定位,中央密封艙海水便會立即排出。此時,注入潮濕的混凝土,這種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蓋,整根墩柱就完成,隨時作為塔基使用。
     
    沉箱挖的越深,橋梁就能建的越長。不過要橫越1.6km里的金門海峽,連接舊金山市和鄰近的瑪林縣,造橋者還得設法蓋出更高的橋塔才行。
     
    第一次世界大戰后的10年時間,海峽灣區的交通流量暴增了7倍,渡輪已無法應付。于是工程師在1933年開始規劃興建全球最長的吊橋。任何吊橋要達到力的平衡,纜索都必須形成某種弧度,為了維持這個形狀,工程師要加長車道,橋塔的高度也相應增加,極其復雜的工程學挑戰隨之而來。
     
    如果跨度是1280m,工程師就得把纜索懸掛在橋面以上152m,橋塔必須高達270m。然而修長的橋塔會被自己的重量壓變形。另一個選擇是將橋塔蓋得厚實些??墒侨魏文軌蚩棺冃蔚氖撞慷贾辽賹?/span>50m,勢必會阻礙船只往來,影響橋梁美觀。這座橋的橋塔需要更加堅固,更加輕盈的建材。
     
    造橋者沒有選擇石砌塊,而是換成了鋼板。最后以空心豎井取代實心石塊。橋塔可以從頭到尾保持修長。鋼材增加了橋塔的柔韌度,使其不會被纜索壓變形。不過,橋塔升高,建造的風險也隨之增加。蜂巢結構要結合固定好,需要安裝一百多萬枚鉚釘,這是造橋者有史以來第一次戴著安全帽、安全面罩和安全索進行作業。
    金門大橋(1280m,美國,1937年)
     
    如今全球最高的吊橋索塔已經非日本明石海峽大橋莫屬。其高度達到300m,比金門大橋的索塔都高出70m。先進的機器人焊接技術和150萬顆優質的老式螺栓,將橋塔牢牢地結合在一起。
     
    建造更加高的橋塔,能夠讓吊橋跨越更高的距離。但隨著跨度增長,橋梁扭曲和折彎的風險也隨之增加。因此,橋梁設計必須經受住大自然的某種摧毀力——風的考驗。
     
    抗風與抗震
     
    1940年,華盛頓州橫跨塔科馬海峽的新橋建成通車后,出現一個致命缺陷,即使風勢不大,橋面也會上下擺動。到后來,橋面開始發生扭曲,以至于最后,整座橋都倒塌了。
     
    工程師們現在已經明白了結構失靈的原因。當側向風吹向橋梁時,氣流受到干擾,橋面上下就會產生漩渦,各個區域由于壓力不同,會承受向上或者向下不同的作用力。一旦橋面開始移動,橋梁也會隨之開始彎曲,解決方法是將橋面兩側的輪廓設計成流線型。這樣風從中間被切開,會安全地吹向路面上下。
    流線型抗風設計
     
    1946年,工程師考慮用這種設計新建一座更長的新橋。他們必須橫跨紐約港1.6km的入口,穿越韋拉扎諾海峽。由于預計往來車流會很頻繁。工程師設計了12條車道,分成上下兩層橋面,但雙層橋面的流線型邊緣或許并不能安全引開風勢,反而還會造成氣流相撞,造成進一步干擾。因此他們決定,與其轉移風力,不如為橋面加固防風屏障。以免橋面扭曲或者折彎。
     
    最有效的加固方法是用一個大箱子來包裹橋面,但是他們知道橋梁的鋼纜絕對無法承受住2km長鋼制箱形物的重量。于是便用纖細的鋼桿組裝成一個個輕質鋼骨架組件,再將75個組件組合成一個巨型的開放式格狀鋼結構,讓風在橋梁里通行無阻。
    開放式格狀鋼結構抗風設計
     
    這個獨特的設計足以抵抗住強大的大西洋暴風。支撐12車道的車流也不成問題。每天將近20萬輛車經由這座雙層車輛從布魯克林和皇后區前往斯塔騰島,大西洋的主要公路系統都與之銜接了起來。1964年竣工時的韋拉扎諾大橋是當時世界上最長也最重的吊橋,是現今紐約市的地標性建筑之一。
     
    韋拉扎諾大橋是美國造橋工程一個偉大時代的巔峰之作,由于設計精良,30多年后,日本人仍采用這種開放式箱形物的概念來加固明石海峽大橋橋面。
    韋拉扎諾大橋(1298m,美國,1964年)
     
    韋拉扎諾大橋的防風功能減輕了大型橋梁跨越危險渡口所受的威脅,但要興建全球最長的吊橋,工程師還得克服一種足以撼動結構根基的自然力量——地震。
     
    日本位于全球地震最為頻繁的地區之一,由于地質不穩定,工程師認為日本并不適合修建全球最長的吊橋。如果吊橋下的地底因地震而搖晃,最嚴重的情況,舉個例子,整座橋塔都會傾倒。這樣會造成巨大災難。
     
    對付地震的第一道防線正是橋塔本身,以鋼材打造的橋塔十分柔韌,一旦發生地震,鋼塔會隨地面移動,吸收震動。第二層防護則在每個橋塔的內部,那是20個巨大的擺錘,也即阻尼器。10t重的阻尼器懸掛在支架上,如果地震使得橋塔搖向一邊,巨大的液壓式阻尼器就會朝反方向擺動,抵消晃動的力量,防止橋塔倒塌。
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