新技術(shù)重建金門大橋

冷鋒

橋梁建筑史上的奇跡

20世紀(jì)30年代，為打破舊金山發(fā)展遇到的壁壘，美國人打算建立一座橋梁，橫跨金門海峽。金門海峽深度超過了91米，最窄的地方也有1632米長，由于直接與太平洋相對，海峽常年受到強(qiáng)大潮流的沖擊，水速保持在每小時15千米以上。它還距離1906年的舊金山地震震中很近。在海峽上建造橋梁，談何容易！

盡管困難重重，舊金山的市民還是決心把它建起來。1933年，結(jié)構(gòu)工程師約瑟夫·施特勞斯提交了他的橋梁設(shè)計(jì)。建設(shè)者們花了四年時間，耗費(fèi)了10萬多噸鋼材，成功地建造起了當(dāng)時世界上最大的懸索橋—金門大橋。建成的金門大橋全橋總長度達(dá)2737.4米，主跨1280米，寬度為27.5米，從海面到橋中心的高度約60米。雖然跨距很長，但其橋梁主體部分僅靠兩根主纜所產(chǎn)生的巨大拉力，懸浮在半空之中，中間沒有任何支撐，堪稱是世界橋梁建筑史上的奇跡。

自1937年5月27日通車以來，金門大橋一直維持著其穩(wěn)固性，成了美國加州標(biāo)志性風(fēng)景之一。那么，金門大橋的設(shè)計(jì)師們是如何克服困難，讓其保持近80年屹立不倒的呢？如果用今天的技術(shù)對橋梁重新設(shè)計(jì)，我們又可以做出哪些改進(jìn)呢？

注重每一個細(xì)節(jié)

金門大橋是一座懸索橋（吊橋），意味著它的主要承力部分是橋兩端的兩個鋼塔，塔架間的鋼纜會垂下許多細(xì)鋼繩，把橋面吊住。橋面的重量及交通量會將鋼纜向下拉，鋼纜再將力傳遞到塔架上，并消散在地面下。同時，橋水平方向的強(qiáng)拉力會傳遞到岸邊兩端固定鋼纜的裝置上。

這種結(jié)構(gòu)的橋梁在歷史上并不罕見。早期熱帶原始人就用森林中的藤、竹、樹莖等做成樣式簡單的吊橋，用于穿越山谷或者河流。幾百年前，這些吊繩是由植物纖維制成的。20世紀(jì)初，大部分懸索橋塔是石頭或鋼做成的，但金門大橋的設(shè)計(jì)者必須使塔更輕巧靈活，從而對抗強(qiáng)風(fēng)或地震。他們的創(chuàng)新就是把每平方米的中空鋼化結(jié)構(gòu)，用鉚釘鉚接在一起，一點(diǎn)點(diǎn)堆砌起來，光一個鋼塔結(jié)構(gòu)就用了60萬個鉚釘。

塔完工了，下一步就是建造纜線。纜線必須巨大，因?yàn)樗鼈冎沃麄€橋面以及吊繩的重量。可以想象的是，這條纜線必須建造得非常結(jié)實(shí)，因?yàn)槿绻|線斷裂，整個橋面將會崩塌。但顯然，我們沒法不出任何差錯地建造一條又長又粗的纜線，所以設(shè)計(jì)師們采用了“聚麻成繩”的方法，用千萬條細(xì)鋼絲擰成一根纜線。

金門大橋的兩根纜線由超過2.5萬個獨(dú)立金屬絲絞成，每根金屬絲并不粗，但是足夠硬，一個人憑一己之力是不能將其折斷的。建成的纜線達(dá)到2332米長，直徑約達(dá)1米，隨后，建筑師們還用壓實(shí)機(jī)向每條纜線施加了超過7.3萬千克的壓力，以使其更緊實(shí)。自金門大橋1937年通車以來，這兩條纜線是唯一沒有被更換過的部分。

在橋面的設(shè)計(jì)上，金門大橋的建筑者們也花了不少心思。由于鋼鐵會熱脹冷縮，或者因大風(fēng)和地震而移動，橋面鋪設(shè)的鋼鐵甲板被分成許多部分，與旁邊的孔洞相銜接。由于這些孔洞，橋面將可以彎曲但不會斷裂。此外，舊金山位于兩個地質(zhì)板塊的交界處，同樣出于安全的考慮，橋梁的兩端還配備了減震器，以吸收來自風(fēng)力或地震力的能量。

1983年，一個7.1級的地震襲擊了舊金山，造成了約70億美元的損失。房屋和道路倒塌，周邊的奧克蘭灣大橋遭受嚴(yán)重破壞，但受益于設(shè)計(jì)師們的精心設(shè)計(jì)，金門大橋完好無損。

如何重建金門大橋？

不過，即便金門大橋“固若金湯”，由于自然環(huán)境惡劣，強(qiáng)風(fēng)、腐蝕性的海水和潛在的地震都在威脅著這座吊橋。總有一天，它會因?yàn)槔匣鵁o法使用。所以，有人建議重建金門大橋。那么，今天的工程師們會如何用最新的技術(shù)設(shè)計(jì)大橋呢？

橋梁承載的重量，自重占到70%～80%，隨著時間的推移，這種結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)自重超過所能承載重力、鋼鐵生銹等問題。今天，借助新材料的應(yīng)用，研究人員可以減輕橋身重量。一種方式是用纖維增強(qiáng)復(fù)合物材料取代鋼鐵或混凝土。這種復(fù)合材料用塑料樹脂將玻璃纖維或者碳纖維粘合在一起，做成各種具有固定形狀的堅(jiān)硬制品。其強(qiáng)度比混凝土強(qiáng)5～6倍，但重量只有混凝土的1/4，而且它還具有極好的強(qiáng)度、優(yōu)秀的耐腐蝕性。用這種材料建造橋梁，具有自重輕、施工方便等優(yōu)勢。

改造金門大橋的另一個重點(diǎn)是改造其纜線。目前纜線的主要構(gòu)成成分是鋼。而眾所周知，鋼容易生銹，而且比纖維增強(qiáng)復(fù)合材料重4倍，在金門海峽這樣潮濕、鹽分高的環(huán)境中，會更容易被侵蝕。但如果纜線由碳纖維制成，則會更加穩(wěn)定。

比鋼輕的新材料也可用于制造橋梁的其他部件，如橋面。使用塑料復(fù)合地板可以使橋面的甲板自重減少4/5，這將使今天的工程師可以設(shè)計(jì)一座橫跨金門海峽的斜拉橋。斜拉橋與懸索橋的主要區(qū)別是斜拉橋可以不用纜線，纜繩會直接連接到吊塔上。

比起懸索橋，斜拉橋可以有更長的跨度，因此可以讓金門大橋的一些支撐性建筑建造得更靠近岸邊。比如，吊塔的地基就可以建造在水更淺的地方，這也有助于解決金門大橋興建時面臨的一個最主要問題：在深水下建造地基，需要面臨強(qiáng)勁的水流，不僅異常困難，而且造價也很昂貴。

今天，人們也可以用更好的減震器，來幫助金門大橋?qū)箯?qiáng)風(fēng)和更強(qiáng)的地震。當(dāng)然，現(xiàn)在金門大橋依舊保存完好，真正重建尚待時日。endprint