橋梁為什么能夠轉移壓力?

跨海大橋

        橋是跨越障礙的通道。你隨時都會看到橋,它們已經成為我們生活的一部分。事實上,如果你在小河的河面上搭一塊厚木板或一根原木來過河,你也就是在搭建一座橋梁。提到橋這個詞,你可能會聯想到一幅橋的畫面,比如金門大橋或者布魯克林大橋。

橋梁的種類主要有3種:

梁式橋

拱式橋

心懸索橋

世界第一鐵路大橋

        這3種橋最大的區別是單孔跨徑不同。所謂跨徑,是指橋的兩個支撐物之間的距離,這些支撐物可以是柱、塔或是峽谷的內壁。舉例來說,一座現代梁式橋最大跨徑可達60米,而一座現代拱式橋安全跨徑則可達240-300米。懸索橋作為橋梁技術的高峰,跨徑可以高達2100米。

跨徑

為什么拱式橋的跨徑會遠遠高于梁式橋,同樣,為什么懸索橋的跨徑可以達到拱式橋的7倍?原因就在于,不同的橋梁在處理以下兩種力時方式不同。

◇壓力:對其作用物進行擠壓或縮短其長度的作用力。

◇張力:對其作用物延展或拉長的作用力。

建設中的橋梁

        說明壓力和張力的一個常見的例子是彈簧。當你向下擠壓彈簧或把彈簧兩端向中間擠壓時,壓力的作用就會把彈簧縮短。當你向上拉伸或把彈簧兩端向兩邊拉開時,彈簧就產生了張力。

        任何橋梁都有壓力和張力,橋梁設計的目的就是在橋梁不發生變形或斷裂的前提下,處理好這些作用力。當壓力的作用大于物體的抗壓力時,物體就會發生變形;當張力大于物體抵抗張力的能力時,物體就會斷裂。

橋梁

        解決這些作用力的最好方式就是耗散或轉移。對力進彳行耗散,是指把力擴展到一個較大的區域,這樣就避免了任何一個點的集中受力。對力進行轉移,是指把力從一個較狗的區域轉移至一個較強的、可以承受這種作用力的區域。拱式橋可以很好地說明力的耗散,而懸索橋則可以很好地說明力的轉移。

梁式橋

        就本質而言,梁式橋是一種兩端架設在橋墩上的剛性水平結構。橋墩直接支撐橋的重量和橋上所有的交通流量。橋的自重和交通流量會產生向下的直接作用力。從梁式橋的橋面(或路面)表層就可以看到這種壓力的作用。在壓力的作用下,橋面的表層會縮短,作用于橋面表層的壓力會導致橋面的里層產生張力。在張力的作用下,橋的鋼梁下端會伸長。為了避免橋發生變形或斷裂,必須對施加在橋面上的作用力進行耗散。

大型橋梁

        你會發現,許多作為過街天橋的梁式橋都選用混凝土或鋼筋梁作為承重梁。梁的尺寸,特別是高度,決定了梁的跨徑。增加梁的高度,梁就能有更多的材料來耗散張力。為了建造更高的梁,橋梁設計者們在梁里添加了輔助的格狀結構,即桁架。輔助桁架可以增加梁的剛性,并大大提高梁耗散壓力和張力的能力。一旦梁下壓時,壓力就會通過桁架進行耗散。

        盡管桁架的添加很有創意，但梁式橋的跨徑還是十分有限。如果跨徑增大,桁架的尺寸也必須增大,直至桁架不足以支撐橋梁的自重為止。

拱式橋

拱式橋梁

        拱式橋是兩側帶有拱肋的半圓形結構。壓力沿拱弧到拱肋的方向向外擴展。拱的設計即半圓形的設計,很自然地把橋面的重量分散到拱肋上,也就是耗散了壓力。拱的自然弧度及其向外耗散壓力的能力大大減少了拱下端受到的張力。不過,拱的半圓弧越大,作用于拱下端的張力也就越大。和梁式橋一樣,尺寸的有限性會最終壓倒拱自身的優勢。

懸索橋

湘西矮寨美麗壯觀的特大懸索橋

        懸索橋通過纜索(繩或鏈)來連接兩端,把橋面懸吊在纜索上。現代懸索橋用兩座高塔連接這些纜索,也就是說,高塔承受了橋面大部分的重量。

懸索橋受力狀況示意圖

        壓力向下作用于懸索橋的橋面,由于橋面是懸吊起來的,纜索就會把壓力轉移到高塔上,高塔再對壓力進行耗散并完全導入地下。

        張力的作用力是通過架設在兩個錨固上的纜索進行耗散的。由于承受著橋的自重和橋上的交通流量,連接橋兩側錨固的纜索被拉長。錨固也受到張力的作用,但由于鐳固和高塔一樣都牢牢地嵌入地面,它們承受的張力就被耗散了。

橋梁夜景

        除了纜索之外,幾乎所有的懸索橋在橋面下都有一個桁架支撐系統。桁架結構既堅固了橋面,同時也降低了橋面發生搖擺和晃動的概率。

其他作用力

        除壓力和張力外,設計橋梁時還必須考慮一些其他的作用力。這些作用力通常與橋梁修建的地點或橋梁的設計有關。

梁式橋受力狀況示意圖

        扭力是一種由于轉動或扭動而產生的作用力。拱天然的形狀和梁式橋增加的桁架結構都可以消除扭力對這些橋梁的破壞性影響。由于懸索橋懸吊在一對纜索上,使得這類橋更容易受到扭力的影響,特別是在大風天氣尤為明顯。在設計上不斷創新,特別是對桁架結構進行不斷的改進,將有助于解決這個問題。

拱式橋受力狀況示意圖

        共振是指由外力引起的振動與物體本身的振動頻率相同。如果對共振現象不加以關注,共振對橋梁的作用力可能是致命的。共振產生的振動會通過波的方式傳導至橋的每個部分。

橋梁共振經典案例

        為了減少共振對橋梁產生的影響,橋梁設計者們在橋上安裝了減震器,以便對共振波進行干于擾。無論振動持續時間的長短或源自何處,對共振波進行干擾都可以有效阻止共振波的繼續擴大。

金門大橋

        減震器主要利用了慣性的原理。假設一座橋的橋面為實心結構,共振波可以輕易地穿過整個橋梁。但是,如果橋面由不同的部分構成,同時橋板又互相疊加,共振波要穿過橋梁就不那么容易了。一部分橋面的運動會通過橋板傳遞到另一部分,由于橋板相互疊加,就會產生一定的摩擦力。我們需要做的就是制造足夠的摩擦力,來改變共振波的頻率,以此阻止波的產生。改變頻率后會產生另外兩種波,但每種波都不會把另一種波轉化成具有破壞性的作用力。

跨海橋梁

        大自然的力量,尤其是天氣的影響,是迄今為止最難應對的挑戰。雨、雪和風每樣都可以對橋梁造成致命的危害,如果它們同時作用于橋梁,后果將會很嚴重。橋梁設計者們通過汲取過去的經驗教訓,不斷提高著自己的技藝。橋梁建設選用的材料也先由鐵取代了木頭,再由鋼取代了鐵。每一種造橋新材料和新工藝的應用都是在汲取過去的經驗教訓后得到的。然而,天氣引起的問題卻始終沒有得到徹底的解決。