在五一假期的最后一天,广东虎门大桥上了热搜,原因是有人发现悬索桥桥面有明显振动,从视频中也可以看到桥面确实在上下起伏。
考虑到振幅过大影响行车舒适性和交通安全,联合交警部门及时采取了双向交通管制措施,目前大桥已经恢复了正常通行。
虎门大桥的结构有问题吗?
很多人被大桥的振幅惊讶到,纷纷猜测大桥会不会坍塌,甚至还和“豆腐渣”工程扯上关系。
但其实桥梁主体结构未受损,悬索桥本次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,产生的桥梁涡振现象。
也就是说,当时虎门大桥的外部正在施工,桥梁两边放置了一些临时的挡墙,这些墙像给虎门大桥穿了一件厚衣服,改变了整体的桥梁外形,让本来流线型的桥体变为钝体,所以引起了桥体振动现象。
像虎门大桥这样的大跨度桥梁,出现涡振是一种正常现象,世界上很多国家的桥梁出现过涡振现象。
由于涡振有一定的幅度限制,所以不会导致桥梁的坍塌。
建桥是一门技术活儿
和墙体一样,桥梁也是一种承压结构,拱桥是最早和最容易设计的桥梁结构,拱桥结构稳固,用的砖石也比较容易找到。
拱桥的设计有个基本的指导原则:拱桥的长度最高是拱高的两倍。也就是说,如果要做100米长的桥,拱高最高可至50米。
由此类推,想要更长的桥面,在拱高又有限的情况下,就得设计成驼峰桥了。但是驼峰桥的坡度在现代的工业中就不太合适,尤其没法做铁路桥,因为火车实在是不适合上上下下爬坡。
现今世界上最长的桥是我国的港珠澳跨海大桥,全长55公里。如此长度的大桥,桥高限高却仅有120米,因为珠三角的航路密集,附近的香港、澳门、珠海、深圳有大量飞机低空飞行。
我们复习一下。如果用旧有的拱桥技术,120米限高,桥长能做到240米。从240米到55公里,这样的跨度也是人类不断挑战结构的极限,不断学习创造出来的奇迹。
为什么央视做成“大裤衩”?
刚才我们说到承压结构主要由砖石构成。其实建屋顶,也就是建梁的结构,和桥的结构很相似。
不同的是,建筑物的墙壁很可能比墙墩桥墩还要薄弱一些,梁的结构从木质梁,即由整个树干来构成的,到现在的钢筋混凝土梁。
现代材料没被发明的时候,像所罗门王这样富甲天下的王,买来建造圣殿的黎巴嫩香柏木也不过七米长。这就要面对一个问题,如果树干不够长要怎么办?
屋顶桁架解决了这个问题,把不同的短木料来结合起来,形成一个稳定的三角结构,坚固屋顶完美get。
梁有很多种,刚才介绍了作为支撑建筑物屋顶的梁,还有承弯的悬臂梁。
悬臂梁是一边内置在某个刚性的支持物,比如说像墙壁地面等等,另外一端伸出来并支撑载荷受力的结构。
著名的北京地标央视大楼就是由悬臂钢结构连接两座高234米、52层和高194米、44层的塔楼组成的。
像是电线杆、动物的脚、我们的牙齿都是悬臂梁结构,有这样坚固的结构支撑着,“大裤衩”当然不会倒啦。
如何建造巴别塔?
和生物体一样,人工设计也存在不少不良设计,最早关于人工设计失败的记录是巴别塔,记录在《圣经》第一卷书《创世记》上:人们为了传扬自己的声名,要建造一座城和一座塔,塔顶通天。
结局是半途而废,根本没盖下去。
我们知道现存最高的活体生物是一种树,能长到110米;而最高的建筑是828米的迪拜塔。
最高的自然结构是珠穆朗玛峰,海拔8848米。
从古至今,人们不断超越,想创造出更高更强更大的结构;人们也在不断挑战,想要更舒适便捷的生存环境。结构在各色期待中占据了重要位置。
理论上说,如果巴别塔以对侧塔面平行结构建造,就像房屋那样,塔身最高能盖到两千米,再高塔底的基石就可能被压碎了。
当然还有Plan B,就像金字塔一样,建巨大的塔基,然后逐层收窄,就可以建到非常高的高度了。其实这种逐层收窄的设计策略就是山的结构,巴别塔完全可以盖过珠穆朗玛峰的8848米。(当然,首先需要克服的还是缺氧问题)
所以其实每一个建筑背后都藏着简洁又神圣的结构原理,这些结构塑造了每一株植物、每一只动物、每一个我们,塑造了整个世界。
编辑:张子杰
责任编辑:李伶
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