本篇報(bào)道圍繞2018年上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)項(xiàng)目“雙主跨纜索承重橋梁的動(dòng)力特性?xún)?yōu)化和風(fēng)致振動(dòng)控制”展開(kāi)，該獎(jiǎng)項(xiàng)由同濟(jì)大學(xué)葛耀君教授領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)獲得。
橋梁是指架設(shè)在江河湖海上，使車(chē)輛行人等能順利通行的構(gòu)筑物。先秦典籍《鹖冠子•備知》中曾云：“山無(wú)徑跡，澤無(wú)橋梁，不相往來(lái)�！苯裉斓臉蛄鹤兊迷絹�(lái)越現(xiàn)代化，人類(lèi)的通行體驗(yàn)越來(lái)越舒適，在這個(gè)過(guò)程中也遭遇了越來(lái)越多的技術(shù)難題。
中國(guó)曾經(jīng)創(chuàng)造了兩項(xiàng)世界紀(jì)錄，武漢二七長(zhǎng)江大橋是全世界最大跨度的雙主跨斜拉橋，馬鞍山長(zhǎng)江大橋是全世界最大跨度的雙主跨懸索橋之一（世界紀(jì)錄保持至今，全長(zhǎng)36.14千米）。在設(shè)計(jì)建造中，同濟(jì)大學(xué)葛耀君教授牽頭的科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地根據(jù)橋梁的動(dòng)力特性，解決了風(fēng)致振動(dòng)問(wèn)題，使得兩座大橋堅(jiān)如磐石，橫亙于長(zhǎng)江兩岸，為我國(guó)大跨度橋梁的建設(shè)與發(fā)展提供了強(qiáng)有力的科技支撐。
讓我們來(lái)了解下，解決這些難題背后的故事吧！
武漢二七長(zhǎng)江大橋是全世界最大跨度的雙主跨斜拉橋
馬鞍山長(zhǎng)江大橋是全世界最大跨度的雙主跨懸索橋之一
起源于中國(guó)的纜索承重橋梁
纜索承重橋梁是大跨度橋梁的主要橋型，是橋梁輕型化和跨江海通道的主要方案。纜索承重橋梁又有兩個(gè)橋型，一種是懸索橋，另一種是斜拉橋。
懸索橋主要通過(guò)索塔懸掛并錨固于兩岸橋塔的纜索（或鋼鏈）作為上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件的橋梁，橋塔的地基位于河岸兩側(cè)的地面上。
單主跨懸索橋結(jié)構(gòu)（理想結(jié)構(gòu)）
斜拉橋又稱(chēng)斜張橋，是將主梁用許多拉索直接拉在橋塔上的一種橋梁，其橋塔位置位于靠近的陸地的水面上。
雙主跨斜拉橋（實(shí)際結(jié)構(gòu)）
葛耀君介紹說(shuō)，我們比較熟悉的早期懸索橋包括位于四川甘孜藏族自治州的瀘定橋，紅軍長(zhǎng)征“飛奪瀘定橋”的故事就發(fā)生在那里。這座長(zhǎng)達(dá)103.67米，寬3米，由13根鎖鏈組成的橋梁，重達(dá)40多噸。瀘定橋修建于1705年，滾滾流淌的大渡河，如同一道無(wú)法逾越的分水嶺，阻礙了川藏之間的物資交流。大河兩岸堆積的物資如山，一些無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間保存的鮮貨因此而糜爛。軍隊(duì)調(diào)遣的任務(wù)，也因?yàn)榇蠖珊訜o(wú)法跨越而受阻。為了解決這一自然難題，當(dāng)時(shí)的康熙皇帝一聲令下，就決定修建瀘定橋。
事實(shí)上，懸索橋就發(fā)軔于中國(guó)。根據(jù)歷史記載，早在2000多年前，中國(guó)就出現(xiàn)了懸索橋，四川《鹽源縣志》記：“周赧王三十年（公元前285年）秦置蜀守，固取笮，笮始見(jiàn)于書(shū)。至李冰為守（公元前256—251年），造七橋�！倍邩蛑杏幸惑袠�，即竹索橋。公元前50年（即漢宣帝甘露4年），當(dāng)時(shí)的四川建成了長(zhǎng)達(dá)百米的鐵索橋。1665年，徐霞客曾撰寫(xiě)過(guò)一篇題為《鐵索橋記》的游記，文章詳細(xì)記載了貴州境內(nèi)一座跨度約為122m的鐵索橋。
相比之下，斜拉橋的歷史比較短暫。1949年，德國(guó)著名的橋梁工程師迪辛格爾（Dishinger）發(fā)表了他對(duì)斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系的研究成果，為現(xiàn)代斜拉橋的誕生和發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。1952年，德國(guó)萊昂哈特（Leonhardt）教授在世界上第一個(gè)設(shè)計(jì)出現(xiàn)代化斜拉橋——德國(guó)杜塞爾多夫跨越萊茵河的大橋。1953年，迪辛格爾與德國(guó)承包商德瑪格公司承建了瑞典的斯特羅姆松德橋，這是世界上第一座現(xiàn)代斜拉橋。我國(guó)于1975年在重慶云陽(yáng)建成了第一座試驗(yàn)性斜拉橋；1991年，上海南浦大橋建成，開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)400米以上特大斜拉橋的先河。目前世界上最長(zhǎng)斜拉橋是俄羅斯羅斯基島橋和中國(guó)蘇通長(zhǎng)江公路大橋。中國(guó)也是擁有斜拉橋最多的國(guó)家。
風(fēng)振之惡和塔科馬海峽吊橋之殤
對(duì)于纜索承重橋梁來(lái)說(shuō)，最大的威脅是風(fēng)振。葛耀君介紹說(shuō)，結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)大致可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是自激發(fā)散振動(dòng)，例如顫振和馳振，振動(dòng)結(jié)構(gòu)可以不斷從氣流中獲取能量，抵消阻尼對(duì)振動(dòng)的衰減作用，從而使振幅不斷加大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)風(fēng)毀，這實(shí)際上是一種空氣動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象，對(duì)橋梁危害最大。另一類(lèi)是限幅振動(dòng)，例如渦激振動(dòng)和抖振，渦激振動(dòng)是由結(jié)構(gòu)尾流中產(chǎn)生的周期性交替脫落的旋渦引起，當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)物處于另一個(gè)結(jié)構(gòu)物的渦列之中，還會(huì)激發(fā)出不規(guī)則的強(qiáng)迫振動(dòng)，即抖振。渦振和抖振均可在低風(fēng)速下發(fā)生，雖不具破壞性，但會(huì)對(duì)桿件接頭等連接部位造成疲勞破壞。
世界上最有名的風(fēng)振事故是塔科馬海峽吊橋坍塌。1940年7月1日，美國(guó)華盛頓州的塔科馬海峽吊橋正式通車(chē)，該橋長(zhǎng)1810米，寬12米，當(dāng)時(shí)為僅次于金門(mén)大橋和喬治華盛頓大橋的世界上第三大懸索橋，讓人意想不到的是大橋建成后四個(gè)月就發(fā)生了坍塌。對(duì)于塔科馬大橋坍塌的原因，專(zhuān)家們并沒(méi)有達(dá)成統(tǒng)一意見(jiàn)。部分工程師認(rèn)為塔科馬吊橋的振動(dòng)類(lèi)似于機(jī)翼的顫振。以力學(xué)大師馮·卡門(mén)為代表的另一派專(zhuān)家則認(rèn)為，塔科馬吊橋的主梁是H型斷面，和流線型的機(jī)翼不同。經(jīng)過(guò)加州理工學(xué)院風(fēng)洞內(nèi)的模型測(cè)試后，馮·卡門(mén)猜測(cè)這場(chǎng)災(zāi)難源于一種現(xiàn)象——卡門(mén)渦街。
風(fēng)振事故之塔科馬海峽吊橋坍塌
塔科馬海峽吊橋的坍塌使得空氣動(dòng)力學(xué)和共振實(shí)驗(yàn)成為建筑工程學(xué)的必修課。日后，在建設(shè)特大橋梁的時(shí)候，科學(xué)家和工程師都會(huì)認(rèn)真考慮風(fēng)振對(duì)橋梁的影響。
建設(shè)雙主跨纜索承重大橋
雙主跨纜索承重橋梁是近年來(lái)出現(xiàn)的新型橋梁建造模式。
“現(xiàn)在懸索橋的一跨世界最高紀(jì)錄接近2000米，斜拉橋的一跨最高紀(jì)錄達(dá)到1100米。但是如果未來(lái)我們要建造超過(guò)3000米的特大纜索承重橋梁該怎么做呢？目前國(guó)家有建設(shè)瓊州海峽和臺(tái)灣海峽跨海大橋的規(guī)劃。解決的方法就是建設(shè)雙主跨，甚至多主跨大橋，可以跨越寬闊的大海。特別是臺(tái)灣海峽中有1萬(wàn)米左右的深水區(qū)，多主跨大橋是經(jīng)濟(jì)有效的建筑方式。這也是人類(lèi)橋梁建設(shè)能力的又一次飛躍！”葛耀君說(shuō)。
雙主跨纜索承重橋梁比傳統(tǒng)的纜索承重橋梁多了中塔結(jié)構(gòu)，而且建筑結(jié)構(gòu)也有很大不同，風(fēng)振對(duì)于兩類(lèi)大橋的影響也是完全不同的。根據(jù)測(cè)算，單主跨纜索承重橋梁與相應(yīng)的雙主跨纜索承重橋梁之間的動(dòng)力特性相差可達(dá)50%左右。
同濟(jì)大學(xué)葛耀君教授
葛耀君介紹說(shuō)，傳統(tǒng)的纜索承重橋梁布置成兩個(gè)橋塔借助纜索支撐中間一個(gè)主跨，雙主跨纜索承重橋梁是為了提升跨越能力增加了一個(gè)主跨并形成了三塔支撐兩個(gè)主跨的新結(jié)構(gòu)。由于中塔無(wú)法像兩個(gè)邊塔一樣借助墩錨的直接支撐作用提高剛度，使得中塔剛度大幅下降，直接導(dǎo)致雙主跨橋梁比單主跨橋梁的動(dòng)力特性劣化、風(fēng)致振動(dòng)加劇，并且直接影響到雙主跨纜索承重橋梁的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)安全。
這樣的難題該如何解決呢？葛耀君團(tuán)隊(duì)采用理論分析和數(shù)值計(jì)算方法，創(chuàng)造性地提出并在依托工程中實(shí)踐了提高雙主跨斜拉橋和優(yōu)化雙主跨懸索橋中塔剛度的方法，改善了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，解決了雙主跨纜索承重橋梁自振頻率低的難題。
如何讓大橋穩(wěn)若磐石
葛耀君說(shuō)，我們發(fā)現(xiàn)，如果提高斜拉橋中塔的剛度，動(dòng)力特性就會(huì)大幅度改善，而且從理論上說(shuō)，斜拉橋中塔剛度可以無(wú)限增強(qiáng)。但是從實(shí)踐看，中塔剛度是邊塔剛度的6倍是最合適的，而解決方式是加大中塔的剛度，將斷面加寬。但是雙主跨懸索橋的中塔剛度不能無(wú)限增強(qiáng)，雙主跨懸索橋主纜和塔頂鞍座之間有摩擦系數(shù)，大約在0.2～0.3之間，如果中塔剛度過(guò)大，橋梁兩側(cè)不平衡受力時(shí)會(huì)發(fā)生滑移，橋梁就會(huì)有坍塌的危險(xiǎn)。同濟(jì)大學(xué)為首的科研團(tuán)隊(duì)做了三種類(lèi)型的雙主跨懸索橋，發(fā)現(xiàn)中塔剛度是邊塔剛度的2～4倍是最佳選擇。
雙主跨懸索橋的斷面也與單主跨懸索橋不同。葛耀君舉例說(shuō)，馬鞍山長(zhǎng)江大橋的斷面鋼箱梁上有個(gè)檢修車(chē)軌道，這是按照傳統(tǒng)單主跨懸索橋的模式設(shè)計(jì)的，但是我們風(fēng)洞試驗(yàn)下來(lái)發(fā)現(xiàn)，如果按照這種結(jié)構(gòu)，無(wú)法達(dá)到抗風(fēng)的理想效果，所以我們就人為增加了氣動(dòng)措施，滿足了安全要求，這些設(shè)計(jì)也申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。
武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋是850米跨度的雙主跨懸索橋，在這座大橋建設(shè)過(guò)程中，科研團(tuán)隊(duì)采用了風(fēng)嘴和上/下穩(wěn)定板組合顫振氣動(dòng)控制技術(shù)，創(chuàng)新性地采用豎向穩(wěn)定板模式，在保證安全的前提下，為工程方節(jié)省了2億元的建造費(fèi)用。
雙主跨斜拉橋中塔兩側(cè)主梁雙懸臂施工時(shí)，容易產(chǎn)生大幅抖振現(xiàn)象，有巨大的安全隱患�？蒲袌F(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地增設(shè)單側(cè)臨時(shí)墩的風(fēng)振控制方法，顯著減小了中塔主梁雙懸臂端部的風(fēng)振位移和根部的風(fēng)振內(nèi)力，保證了大橋的安全施工。
更有意義的是，這些相關(guān)技術(shù)已經(jīng)推廣應(yīng)用于瀘州長(zhǎng)江六橋、溫州甌江北口大橋和舟山舟岱大橋等的建設(shè)，建成多年來(lái)，這些大橋穩(wěn)如磐石，均沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)任何安全事故，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)明顯。
美國(guó)工程院院士、國(guó)際橋梁維護(hù)和安全協(xié)會(huì)主席、美國(guó)里海大學(xué)教授、國(guó)際著名橋梁專(zhuān)家丹·弗朗戈波爾（Dan M. Frangopol）教授對(duì)于中國(guó)人的創(chuàng)新設(shè)計(jì)給予了高度評(píng)價(jià)，他認(rèn)為同濟(jì)的團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于雙主跨和雙橋面的纜索承重橋梁跨越能力的提升，取得了很好的效果。
“世界科學(xué)”聯(lián)合“賽先生”微信公號(hào)，在上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助下，開(kāi)辟“走近科學(xué)”欄目，對(duì)獲得國(guó)家及上海市科技獎(jiǎng)勵(lì)的成果進(jìn)行科普化報(bào)道。
業(yè)政邦設(shè)備租賃有限公司有14米--22米等橋檢車(chē)租賃，我們竭誠(chéng)為廣大新老客戶(hù)服務(wù)。經(jīng)過(guò)全體員工多年的共同奮斗，公司以嚴(yán)格的管理制度，可靠的信譽(yù)質(zhì)量，出色的技術(shù)維護(hù)保障，完善的租后跟蹤服務(wù)，逐步贏得了社會(huì)及行業(yè)內(nèi)的廣泛認(rèn)同。業(yè)政邦橋檢車(chē)出租夠公司擁有多種車(chē)型選擇，實(shí)惠的租車(chē)價(jià)格，是您身邊的租車(chē)好伙伴！橋檢車(chē)出租電話：188-4834-3755
