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為什麼跨海大橋都是曲線形狀
為什麼跨海大橋都是曲線形狀
更新时间:2024-12-31 03:52:20

不知道你有沒有發現

我國橋梁具有多樣性~

它們有的跨河,有的跨海

有的跨越山谷,有的跨越鐵路

如果你仔細觀察還會發現

它們有的是直的,有的卻是彎的

這是怎麼一回事呢?

為什麼跨海大橋都是曲線形狀(兩點之間線段最短)1

這是跨越峽谷的北盤江大橋,它是直的 ↑

為什麼跨海大橋都是曲線形狀(兩點之間線段最短)2

這是跨海的港珠澳大橋,它是彎的 ↑

1 為什麼橋有直有彎?

從理論上講,工程師們希望盡可能地将所有橋梁都設計成直的。原因很簡單,兩點之間線段最短,直的大橋省材料、省人工。

相比起受力簡單、基本屬于平面受力結構的直橋,彎橋的受力要複雜許多倍。彎矩、扭矩、彎扭聯合作用,使得彎橋的受力令人難以捉摸,計算和設計都變得十分複雜。

因此,對于那些比較短的大橋,尤其是跨河、跨谷的單跨部分,工程師們都是盡可能地讓它們保持直線,這樣可以簡化受力,最大限度确保安全。

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典型的直橋受力

可是跨海大橋就不同了。它的橋長動辄幾十公裡,比如我們所熟知的港珠澳大橋,主橋長55千米;東海大橋,長32.5千米;日本濑戶大橋,長37.3千米……所有這些跨海大橋,就沒有一條是直的,這是為什麼呢?

想知道“跨海大橋為什麼是彎的”,我們可以先從“公路為什麼是彎的”開始講起。開在高速公路上時,我們一定會發現,無論你怎麼開,前方的道路永遠不會出現連續直路,總是要拐一下,避讓什麼東西,或者幹脆什麼也沒有的時候也會轉彎。

一方面,是因為陸地上難免會有些丘陵起伏,最好的辦法就是讓我們的道路稍微拐拐繞過它們;另一方面,長時間的直線駕駛會令駕駛員迅速疲勞,釀成事故。

因此,即使是幾十公裡的大平原,工程師們也會故意将道路設計得拐上幾個彎,讓司機動動手、動動腦,降低事故發生率。

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高速公路往往隔三岔五就要拐個彎,不知道你有沒有注意到

2 彎是怎麼來的?

與那些隻有一兩公裡長的河上“小橋”不同,動辄三五十公裡的跨海大橋,本質上也是一條高速公路。司機在上面開車,如果不去隔三岔五地拐幾個彎,也是很容易出現疲勞的。因此,跨海大橋有點彎曲,引導駕駛員的視線來避免視覺疲勞和精神懈怠,這也是很正常的。

但跨海大橋的彎曲,遠不止這麼簡單,其中最重要的原因是,海洋的底部并不像表面那樣平整,而是充滿了起伏的丘陵。

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受到海水和海洋生物的腐蝕後,海底呈現各種各樣的地質環境,有的地方是堅固的基岩,可以直接把橋墩架在上面;有的地方是疏松的淤泥,需要打深樁到幾十米以下的基岩上,橋墩才能穩固;有些地方則是斷裂帶,根本、不能搭建任何建築物,更别說承載幾萬噸重、設計壽命120年的大橋了。

我們熟知的港珠澳大橋,就是把樁打進淤泥之下的幾十米基岩中,水面上粗粗短短的橋墩,其實在水下宛如一根根定海神針。

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港珠澳大橋的橋墩貌似粗短

所以在大橋架設前,早有工程師們仔細研究了附近海底的地質結構,巧妙地避開了一切不适合建造大橋的地質環境,選好大橋的路線。

此外,大橋的布線還要考慮到最重要的一點:海洋中的洋流和海流。

在海洋中,海水是全年無休24小時不停地流動的,這就會對大橋造成沖擊。海水的流動雖然有規律可循,但卻來自多個方向,大橋受到的海浪沖擊遠大于普通橋梁。通過設計S型曲線,能讓水流通過引導減少對橋梁造成的傷害。 此外,還有反複無常的台風在海面上襲擾大橋,面對這種來自四面八方的橫向力,直橋的抵抗能力很差,彎橋才能更加穩定

所以,受到了自然和現實諸多因素影響,需要把長度很長的跨海大橋,修建成一條彎曲的曲線。

3 彎橋要怎麼修才好?

扭矩的存在,是彎橋與直橋受力最大的不同點。

什麼是扭矩呢?舉個簡單的例子,當你扭轉一個門把手時,其實就是對它施加了扭矩。

彎曲的梁在荷載的作用下會同時産生彎矩和扭矩,并且相互影響,使梁截面處于彎扭耦合作用的狀态,其截面主拉應力往往比相應的直梁橋大得多。這是曲梁獨有的受力特點,尤其是放大到了梁端,還會出現翹曲、位移等變形,對于橋梁安全的危害很大。

因此,彎橋的受力必須經過妥善而精密的計算。好在有了有限元,計算機可幫助工程師完成大橋的受力計算。

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扭矩的原理

簡單地說,有限元就是近似地将你想要設計的大橋分成若幹個小塊,再設定好邊界條件。比如,大橋哪裡受到了約束,哪個部位之間的連接比較緊密,再把大橋所受到的荷載,包括自重、車輛壓力、風荷載和地震荷載加上去,計算這些小塊各自的受力,就可以近似地得到整個大橋的受力。

這樣一來,整個彎橋的受力情況就比較精确了。

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橋梁的有限元

與直橋不同,彎橋的橋梁受力會與橋墩台形成耦合。彎橋下部結構墩頂水平力,除了與直橋一樣有制動力、溫度變化引起的内力、地震力等外,還存在離心力和預應力張拉産生的徑向力。

因此,在曲線橋梁結構的設計中,應該對整個結構進行全面且整體的空間受力計算分析。

除了橫向力外,工程師還必須對其在承受縱向彎曲、扭轉和翹曲作用下,結合自重、預應力和汽車活載等荷載進行詳細的受力分析,充分考慮其結構的空間受力特點,才能得到安全可靠的結構設計。

彎橋的受力複雜,除了彎矩和扭矩聯合作用外,拐彎内側梁和外側梁的受力也不均勻。為了抵抗梁截面的彎矩和扭矩,故而在彎梁橋設計中多采用橫向強度很高的箱形截面。

由于橋面超高,加之為了滿足梁體受扭時外邊梁受力較大的強度需要,還需要在橋梁橫向将各主梁布置做成不同的梁高。在配筋設計上,也要考慮這種扭矩,在腹闆側面布置較多受力鋼筋,并且配置許多抗扭鋼筋。

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彎橋的工程實踐中經常采用的箱型截面

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來源:智慧交通館、廣東交通公衆号

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