大桥为何造得弯来弯去?

2019-04-28  xg123911

 

中国的地形堪称地球表面最为复杂,我们最不缺的就是桥梁。

它们有的跨河,有的跨海,有的跨越山谷,有的跨越铁路,如果你仔细观察还会发现,它们有的是直的,有的却是弯的。这是怎么一回事呢?

(这是跨越峡谷的北盘江大桥,它是直的)

(这是跨海的港珠澳大桥,它是弯的)

(一)什么桥是直的,什么桥是弯的?

从理论上讲,工程师们希望尽可能地将所有的桥都设计成直的。

原因很简单,两点之间线段最短,直的大桥不仅省材料、省人工,更关键的是省脑子啊。

相比起受力简单、基本属于平面受力结构的直桥,弯桥的受力要复杂许多倍。弯矩、扭矩、弯扭联合作用,使得弯桥的受力令人难以捉摸,计算和设计都变得十分复杂。

因此,对于那些比较短的大桥,尤其是跨河、跨谷的单跨部分,工程师们都是尽可能地让它们保持直线的,这样可以尽可能地简化受力,最大限度确保安全。

(一个典型的直桥受力)

可是跨海大桥就不同了。它的桥长动辄几十公里,比如我们所熟知的港珠澳大桥,主桥长55千米;东海大桥,长32.5千米;日本濑户大桥,长37.3千米……所有这些跨海大桥,就没有一条是直的,这是为什么呢?

(跨海大桥不仅要弯,而且要弯出花来)

要知道“跨海大桥为什么是弯的”,我们可以先从“公路为什么是弯的”开始讲起。

开在高速公路上时,我们一定会发现,无论你怎么开,前方的道路永远不会出现超过三分钟的连续直路,舒舒服服地开上一小会儿,总是要拐一下,避让开什么东西,或者干脆什么也没有的时候也会转弯。

这一方面是因为,陆地上难免会有些丘陵起伏,最好的办法就是让我们的道路稍微拐拐绕过它们;而另一方面,长时间的直线驾驶会令驾驶员迅速疲劳,酿成事故。

因此,即使是几十公里的大平原,工程师们也会故意将道路设计得拐上几个弯,让司机动动手,动动脑,可以十分有效地降低事故发生率。

(高速公路往往隔三岔五就要拐个弯,不知道你有没有注意到)

(二)大桥的弯是怎么来的?

与那些只有一两公里长的河上“小桥”不同,动辄三五十公里的跨海大桥,本质上也是一条高速公路。

司机在上面开车,如果不去隔三岔五地拐几个弯,也是很容易疲劳、很容易出事故的。光凭这一点,跨海大桥有点弯曲,从而引导驾驶员的视线来避免视觉疲劳和精神懈怠,这也是很正常的。

但跨海大桥的弯曲,其实远不止这么简单,其中最重要的原因就是,海洋的底部并不像它的表面那样平整,而是充满了丘陵起伏。

受到海水和海洋生物的腐蚀后,海底的地质环境也会千奇百怪,有的地方是坚固的基岩,可以直接把桥墩架在上面;有的地方则是疏松的淤泥,需要打下深深的桩到几十米以下的基岩上,桥墩才能稳固;有些地方则干脆就是断裂带,根本就不能搭建任何建筑物,更别说几万吨重、设计寿命120年的大桥了。

比如我们熟知的港珠澳大桥,海底就是深达几十米的淤泥,我们看到的水面上粗粗短短的桥墩,其实在水面以下宛如一根根定海神针。

(港珠澳大桥的桥墩貌似粗短)

所以在大桥架设前,早有工程师们仔仔细细地研究了附近海底的地质结构,巧妙地避开了一切不适合建造大桥的地质环境,选好了大桥的路线。这条路线当然不太可能是直线,必定要东绕西绕。

这还不算完,大桥的布线,还要考虑到最重要的一点:海洋中的洋流和海流。

在海洋中,海水是24小时不停地流动的,而且全年无休,这会持之以恒地对大桥造成冲击,这种海浪冲击远远大于普通桥梁,它的流动虽然有一定的规律可循,但却来自多个方向。通过设计S型曲线,能让水流通过引导减少对桥梁造成的伤害。

此外,还有反复无常的台风在水面以上不停地袭扰着大桥,面对这种来自四面八方的横向力,直桥的抵抗能力很差,一定要弯桥才能更加稳定。

所以,把长度很长的跨海大桥,修建成一条弯曲的曲线,受到了自然和现实多种因素影响,这并不是在浪费建材。

(三)弯桥要怎么修才好?

扭矩的存在,是弯桥与直桥受力最大的不同点。

什么是扭矩呢?举个简单的例子,当你扭转一个门把手时,其实就是对它施加了扭矩。

扭矩的原理很简单,但与弯矩耦合后,就会成为计算上非常令人头疼的东西。

弯曲的梁在荷载的作用下会同时产生弯矩和扭矩,并且相互影响,使梁截面处于弯扭耦合作用的状态,其截面主拉应力往往比相应的直梁桥大得多。

这是曲梁独有的受力特点,尤其是放大到了梁端,还会出现翘曲、位移等变形,对于桥梁安全的危害很大。

因此,弯桥的受力必须经过妥善而精密的计算。在有限元软件发明之前,想要设计这样一座弯桥可真的是会把工程师的头算破的。

(扭矩的原理)

好在有了有限元,计算机会帮助工程师完成大桥的受力计算。

简单地说,有限元就是近似地将你想要设计的大桥分成若干个小块,再设定好边界条件。比如,大桥哪里受到了约束,哪里与哪里的连接比较紧密,再把大桥所受到的荷载,包括自重、车辆压力、风荷载和地震荷载加上去,计算这些小块各自的受力,就可以近似地得到整个大桥的受力。

这样一来,整个弯桥的受力情况就可以比较精确地获得了。

(桥梁的有限元)

与直桥不同,弯桥的桥梁受力会与桥墩台形成耦合。弯桥下部结构墩顶水平力,除了与直桥一样有制动力、温度变化引起的内力、地震力等外,还存在离心力和预应力张拉产生的径向力。

因此,在曲线桥梁结构的设计中,应该对整个结构进行全面的整体的空间受力计算分析。

除了横向力外,还必须对其在承受纵向弯曲、扭转和翘曲作用下,结合自重、预应力和汽车活载等荷载进行详细的受力分析,充分考虑其结构的空间受力特点,才能得到安全可靠的结构设计。

由于弯桥的受力复杂,除了弯矩和扭矩联合作用外,拐弯内侧梁和外侧梁的受力也不均匀。

为了抵抗梁截面的弯矩和扭矩,故而在弯梁桥设计中多采用横向强度也很高的箱形截面。

由于桥面超高,加之为了满足梁体受扭时外边梁受力较大的强度需要,因此还会在桥梁横向将各主梁布置做成不同的梁高。在配筋设计上,也要考虑这种扭矩,在腹板侧面布置较多受力钢筋,并且配置许多抗扭钢筋。

(弯桥的工程实践中经常采用的箱型截面)

     同豪土木自主研发的两款旗舰产品方案设计师V5和桥梁博士V4在弯桥的设计绘图和结构分析计算上都具有独特的专业优势。

     方案设计师V5不仅支持斜弯桥,还支持变宽变高异型截面等箱梁类型,并且支持复杂路线开放式导入,设计方案极速变更等,在大型桥梁的工程项目应用上,设计效率提高达40%-50%左右。

     桥梁博士V4提出了面向构件建模技术、截面数据处理和规范库等创新技术和理念;自动生成有限元模型,数据信息离而不散,不仅降低了结构分析的难度,还极大提高了桥梁设计分析的效率和软件的开放性。

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