梁式桥主要承重构件是(中国桥梁抖动史——从不抖到抖)

Posted 2023-05-30

篇首语：获致幸福的不二法门是珍视你所拥有的、遗忘你所没有的。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了梁式桥主要承重构件是(中国桥梁抖动史——从不抖到抖)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

梁式桥主要承重构件是(中国桥梁抖动史——从不抖到抖)

这几天，虎门大桥在风中抖动的视频上了热搜，有些人好奇地问：

为什么桥梁会抖动？

在人们的记忆中，桥应该是不会“抖”的，像虎门大桥这种抖动的桥梁无疑引发了人们对安全性的担忧。不过，“抖”真的代表了桥梁是不安全的吗？

事实上，纵观中国桥梁史，“抖”这个现象一直存在。根据基本受力特征，桥梁可分为梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥四种主要的桥型，不同的受力模式决定了桥是否“抖动”。那么，桥梁的抖动正常吗？什么样的桥梁才会抖？

梁桥：不抖是一种追求

打开一张中国地形图，巨大的海拔差异跃然眼前。从群山巍峨的西部到河网密布的东部，黄河、长江、珠江一路纵横，地形的落差与河流的阻隔诞生了一道道天堑，阻挡了人们的交往，桥由此诞生。

距今7000多年前的长江中下游，沼泽湖泊遍布，为了种植水稻等禾谷植物，人们沿河而居，以河道为中轴，房屋分布两岸，建造起最早的村落。这些古村落的村民，无论是村里还是与外界相互联系，都需要在河流上架桥通行。把木梁打横放在两岸，便是最古老的桥梁——独木桥，这也是人类桥梁史上经典的“梁桥”原型。

梁桥，顾名思义，是以梁作为主要承重构件的桥型。它的建造较为简单，只需在两支点之间架设木材即可，如果河流较之架设的木材更长，就在河流中间设置更多的支撑点。当时的梁桥与我们今天的独木桥差别不大，可以想象的是，当时建桥工艺十分粗糙，梁桥不能抵御水流和风速带来的晃动，人们过桥并不安全。随着频繁使用和木材腐坏，梁桥会更加“抖动”。从安全和保育的角度看，如何使梁桥“不抖”是先民亟待解决的问题。

在新石器的中晚期，人类聚居区已遍及黄河、长江流域与北京、内蒙、云南等地，群落规模也日益壮大，手工业已经萌发，对木、石、土的加工技能已初步具备，建造梁桥的材料也发展为木材、石材并行。从商代开始，由于建造都城、军事运输、农业水利的需要，古人建桥技术不断提高，出现了多跨木梁木柱桥、骈木梁桥、石梁石墩桥等等，这些梁桥抖动的幅度也越来越小。

在梁桥当道的时代，盛产石材的闽粤一带，先天具备打造石梁桥的优势。位于福建泉州的洛阳桥，就是中国现存最早的跨海梁式大石桥。

福建境内的洛阳江口，地处江海交汇之地，以“水阔五里，波涛滚滚”著称。泉州人曾在江中建造石墩，架上木板，作为浮桥，但是上桥容易感受到“抖动”。直到1053年，北宋名臣蔡襄主持建桥工程，在与桥身垂直的水下，用石块垒砌成宽度远超桥身的石堤坝，在堤上修筑桥墩，建成了跨江接海的洛阳桥。这座“不抖”的洛阳桥，连接福州和泉州的古官道，被誉为“海内第一桥”。

在近现代，梁桥的稳定性进一步提高，抖动幅度小到几乎感受不到。万里长江上的第一座大桥——武汉长江大桥，就是以连续梁结构建设，共计8个桥墩，总长1670米，从1957年通车一直使用至今，历经63年风雨仍然屹立在长江之上，可谓是“一桥飞架南北，天堑变通途”。

拱桥：不抖是一种常态

梁桥能够跨越山海之间，也能横过江河之上，但远远不能满足人们的出行需求。中国有大小天然河流5800多条，可通航的大小湖泊约900多个，大都分布在经济发达、人口稠密的地区，且几乎都由西向东流入大海，水量一般比较充沛，大多终年不冻，因此中国古代水运十分兴盛。梁桥固然方便了两岸的陆路通行，却无法满足航运的要求。

能够一跨而过、尽量不影响水运的桥型应运而生，这就是拱桥。受天然形成的拱形石洞的启发，中国人民在商朝已经学会了建造拱桥。

在河网密布的江南水乡，市集小镇的布局都是以河道为骨架的，被河道隔开的两岸居民之间往来靠的是桥，几乎每隔百余米就有一座桥，但是上下游的往来却是船运为主，于是桥下能够过船的拱桥大行其道。乌篷船悠悠地在水面划过，穿过拱桥的桥洞，桥上的人在看船，船上的人在看桥。拱桥成为了江南古镇里隽永秀丽的存在。

除了可通航，“不抖”也是拱桥的重要优势。相比于梁桥，拱桥在竖直平面内主要的承重构件是拱，主要承受轴向压力，并由两端底座提供横向的推力，用以维持桥身的平衡，提高拱桥的跨越能力。从受力角度分析，拱桥更加稳定，抖动的幅度小到可以忽略不计。

隋朝修建的河北赵州安济桥就是实证，它的拱肩两侧砌有二个小拱(称为腹拱)形成空腹，不但减轻了自重而且有利于排洪。这种中国首创的“敞肩圆弧拱”，进一步加强了拱桥的稳定性，使得赵州桥成功扛过了8场大地震，可以说是“连地震都抖不倒”，成为世界上现存年代久远、跨度最大、保存最完整的单孔坦弧敞肩石拱桥。

如今，我国超过一半的公路桥梁都是拱桥。位于贵州北盘江峡谷的沪昆高铁北盘江特大桥，是世界最大跨度的钢筋混凝土拱桥，桥面距谷底高约300米，主桥跨度突破445米，两岸建造了两个总方量达到7万立方米的大体积混凝土拱柱，通过拱柱把整座大桥受到的力分散到整个山体，从而“任尔东西南北风，我自岿然不动”。

斜拉桥：又开始抖起来

拱桥解决了“抖”的问题，但是长度还不足以满足横跨中国大江大河的需求。上海地标河流黄浦江，江面宽度达300至770米，浦东、浦西之间遥遥相望，只能靠“摆渡”通行两岸，严重影响经济的平衡发展，上海人流传着这样一句话“宁要浦西一张床，不要浦东一间房”。建设跨江大桥已是众望所归，但是以当时的技术，梁桥影响航运，拱桥的长度不足以横跨江面，于是跨度更大的“斜拉桥”就成为了建桥的首选。

斜拉桥主要由索塔、主梁、斜拉索三部分组成，将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上，由索塔承压、斜拉索受拉，梁除了支承在墩台上外，还支承在由塔柱引出的斜拉索上，如同有了多个“隐形桥墩”，极大地提高了桥梁的跨度潜力。超大的跨度带来了巨大的自重，斜拉索对主梁的受力影响很大，相比于梁桥与拱桥，斜拉桥抖动的幅度较大。

但为了跨越黄浦江宽阔的江面，人们还是选择了“会抖”的斜拉桥，而非“不抖”的梁桥和拱桥。1991年，黄浦江的上海南浦大桥正式落成通车，桥上有两座约50层楼高的索塔，以180根钢索与桥面相连，成为世界上第四大双塔双索面斜拉桥；1993年，杨浦大桥横空出世，以超过600米的跨度一跃成为当年世界上最大跨径的斜拉桥。

这两座斜拉桥的成功通车，让中国开始广泛使用斜拉桥。斜拉桥作为一种自锚式体系，斜拉索的水平力由梁承受，无须额外锚碇，减少了桥墩的数量，在海湾环境中得天独厚。全球第三长的斜拉桥——香港昂船洲大桥，全长1596米，以224条斜拉索巩固，横跨青衣海峡，距离海面73.5米高，可让超级货柜轮船经过，既满足香港陆上交通的需要，又无损其国际海港的航运优势。

不过，当跨海的斜拉桥遇见台风，“抖动”幅度也十分惊人。连接嘉兴市和宁波市的杭州湾跨海大桥，位于世界三大强潮海湾之一的杭州湾海域之上，采用斜拉桥作为南北航道桥。2012年8月，台风“海葵”登陆浙江，浙江在线报道称，一名亲历台风的记者看见杭州湾跨海大桥“像厨师手里的一根拉面似的在抖动”。

悬索桥：“抖”成习惯了

有趣的是，从斜拉桥开始，中国桥梁不断突破长度，但是抖动幅度也越来越大。2020年5月5日，连接珠江两岸的广东虎门大桥出现异常抖动，迅速成为舆论焦点。人们十分关注虎门大桥的安全问题，中交公路规划设计院教授级高工、著名桥梁专家吴明远认为：大桥总体没有太大问题。一时引发疑惑：抖成这样的大桥也没问题吗？

这就要从虎门大桥本身的设计说起了。虎门大桥位于珠江口狮子洋上，是连接珠江东、西两岸，贯穿深圳、珠海、香港、澳门的咽喉，主航道桥为单跨双铰简支钢箱梁悬索桥，是中国第一座特大型大跨度钢箱梁悬索桥，被认为标志着二十世纪中国桥梁建设的最高成就。

高耸的索塔、弯曲的缆索、沉稳的锚碇，是现代悬索桥的主要特征。由于悬索桥的吊索垂直于桥面，缆索锚固于桥两端，不会产生轴向力挤压主梁，因此悬索桥在各种体系桥梁中的跨越能力最大，跨径可以达到1000米以上。科学家认为，理论上悬索桥极限跨径可超过8000米。

由于受力结构的限制，悬索桥会有两种振动，一种是影响行车舒适性的涡振，一种是影响桥梁安全的颤振。大跨径悬索桥在较低风速下存在涡振现象，是风致振动现象中的一种，在实际应用中，悬索桥呈现出的上下波形晃动在桥梁设计的预想之内，“抖”已经成了悬索桥的习惯了。而作为气动弹性力学重要问题之一的颤振与涡振不同，指的是只要具有弹性的结构，当其受到空气或液体动力、惯性力和弹性力的耦合作用时，发生了剧烈的大幅振动，便是所谓的颤振。

广东省交通运输厅、省交通集团组织了国内12位知名桥梁专家对虎门大桥的振动现象进行研判，初步判断虎门大桥5日发生振动系桥梁涡振现象，并认为悬索桥结构安全可靠，不会影响虎门大桥后续使用的结构安全和耐久性。振动主要原因是由于沿桥跨边护栏连续设置水马，改变了钢箱梁的气动外形，在特定风环境条件下，产生了桥梁涡振现象。在水马移除后，涡振现象明显减弱。

虎门大桥发生抖动，并不是国内大桥第一次经历此类事件。同为悬索桥的武汉鹦鹉洲长江大桥，也发生过类似晃动。专家表示：“这种柔性的悬索桥本身引起的变形，在桥梁设计允许挠度限值以内都是可以接受的，对桥梁结构本身也不会有太大损害。”但需要强调的是，桥梁并非“金刚不坏”之身，“在面临超出设计极限荷载的情况下，也不敢说百分百没问题。”

会抖的桥安全吗？

其实，无论是梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥，都是存在振幅的，只是梁桥、拱桥振幅比较小，人们不容易感觉到，产生了“不抖”的体验，而跨度更大的斜拉桥、悬索桥更容易产生人们感受到的“抖动”。抖与不抖，其实是与受力结构设计有关，不能成为单一的安全评判标准。

目前，我国已建梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥的跨越能力，均领先世界同类桥梁跨径，我们有理由相信中国桥梁建造的领先能力，也相信桥梁的安全性得到充分的考证与调研。虎门大桥目前仍处于交通管制状态，在专业人士没有得出结论之前，我们不必过多猜测解读。

中国乃至全世界已经和桥梁的抖动斗争了几百上千年，这个问题在我们这个时代能否得到完美解决？

前浪和后浪们，都要加油啊。

参考资料：

·项海帆.中国桥梁史话[J].地图,2004,(5):16-20.

·徐勇.拱桥的起源与石拱桥的发展[J].世界桥梁,2013,41(3):85-92.

·项海帆 潘洪萱 张圣城 范立础.中国桥梁史纲[M].上海：同济大学出版社,2009:12-135.

·新华社.《广东虎门大桥发生抖动，原因初步查明》

https://mp.weixin.qq.com/s/pjBXg2HS98GjxE-JIJGxGw

·新华社.《虎门大桥振动后续：大桥是否安全？专家这样说》

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1665926621400003599&wfr

·环球网.《专家解读虎门大桥为何“抖动” 》

https://www.sohu.com/a/393442949_162522?

·科技日报.《为什么说虎门大桥是安全的？》

http://www.xinhuanet.com/local/2020-05/07/c_1125950011.htm?baike

·阮欣.《说说桥梁的那些事儿》

https://www.cdstm.cn/gallery/media/mkjx/kx24xs/201803/t20180313_722028.html

·新闻e哥.《世界上最著名的十座斜拉桥中，中国占了八座。》

https://www.sohu.com/a/120904556_412444

·贵州省旅游局.《又一“世界之最”在贵州诞生！北盘江特大桥这些公开的“秘密”你知道吗？》

https://www.sohu.com/a/108106878_395859

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供图 | 袁林翰 图虫创意

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