桥梁为什么能够转移压力?

跨海大桥

        桥是跨越障碍的通道。你随时都会看到桥,它们已经成为我们生活的一部分。事实上,如果你在小河的河面上搭一块厚木板或一根原木来过河,你也就是在搭建一座桥梁。提到桥这个词,你可能会联想到一幅桥的画面,比如金门大桥或者布鲁克林大桥。

桥梁的种类主要有3种:

梁式桥

拱式桥

心悬索桥

世界第一铁路大桥

        这3种桥最大的区别是单孔跨径不同。所谓跨径,是指桥的两个支撑物之间的距离,这些支撑物可以是柱、塔或是峡谷的内壁。举例来说,一座现代梁式桥最大跨径可达60米,而一座现代拱式桥安全跨径则可达240-300米。悬索桥作为桥梁技术的高峰,跨径可以高达2100米。

跨径

为什么拱式桥的跨径会远远高于梁式桥,同样,为什么悬索桥的跨径可以达到拱式桥的7倍?原因就在于,不同的桥梁在处理以下两种力时方式不同。

◇压力:对其作用物进行挤压或缩短其长度的作用力。

◇张力:对其作用物延展或拉长的作用力。

建设中的桥梁

        说明压力和张力的一个常见的例子是弹簧。当你向下挤压弹簧或把弹簧两端向中间挤压时,压力的作用就会把弹簧缩短。当你向上拉伸或把弹簧两端向两边拉开时,弹簧就产生了张力。

        任何桥梁都有压力和张力,桥梁设计的目的就是在桥梁不发生变形或断裂的前提下,处理好这些作用力。当压力的作用大于物体的抗压力时,物体就会发生变形;当张力大于物体抵抗张力的能力时,物体就会断裂。

桥梁

        解决这些作用力的最好方式就是耗散或转移。对力进彳行耗散,是指把力扩展到一个较大的区域,这样就避免了任何一个点的集中受力。对力进行转移,是指把力从一个较狗的区域转移至一个较强的、可以承受这种作用力的区域。拱式桥可以很好地说明力的耗散,而悬索桥则可以很好地说明力的转移。

梁式桥

        就本质而言,梁式桥是一种两端架设在桥墩上的刚性水平结构。桥墩直接支撑桥的重量和桥上所有的交通流量。桥的自重和交通流量会产生向下的直接作用力。从梁式桥的桥面(或路面)表层就可以看到这种压力的作用。在压力的作用下,桥面的表层会缩短,作用于桥面表层的压力会导致桥面的里层产生张力。在张力的作用下,桥的钢梁下端会伸长。为了避免桥发生变形或断裂,必须对施加在桥面上的作用力进行耗散。

大型桥梁

        你会发现,许多作为过街天桥的梁式桥都选用混凝土或钢筋梁作为承重梁。梁的尺寸,特别是高度,决定了梁的跨径。增加梁的高度,梁就能有更多的材料来耗散张力。为了建造更高的梁,桥梁设计者们在梁里添加了辅助的格状结构,即桁架。辅助桁架可以增加梁的刚性,并大大提高梁耗散压力和张力的能力。一旦梁下压时,压力就会通过桁架进行耗散。

        尽管桁架的添加很有创意，但梁式桥的跨径还是十分有限。如果跨径增大,桁架的尺寸也必须增大,直至桁架不足以支撑桥梁的自重为止。

拱式桥

拱式桥梁

        拱式桥是两侧带有拱肋的半圆形结构。压力沿拱弧到拱肋的方向向外扩展。拱的设计即半圆形的设计,很自然地把桥面的重量分散到拱肋上,也就是耗散了压力。拱的自然弧度及其向外耗散压力的能力大大减少了拱下端受到的张力。不过,拱的半圆弧越大,作用于拱下端的张力也就越大。和梁式桥一样,尺寸的有限性会最终压倒拱自身的优势。

悬索桥

湘西矮寨美丽壮观的特大悬索桥

        悬索桥通过缆索(绳或链)来连接两端,把桥面悬吊在缆索上。现代悬索桥用两座高塔连接这些缆索,也就是说,高塔承受了桥面大部分的重量。

悬索桥受力状况示意图

        压力向下作用于悬索桥的桥面,由于桥面是悬吊起来的,缆索就会把压力转移到高塔上,高塔再对压力进行耗散并完全导入地下。

        张力的作用力是通过架设在两个锚固上的缆索进行耗散的。由于承受着桥的自重和桥上的交通流量,连接桥两侧锚固的缆索被拉长。锚固也受到张力的作用,但由于镭固和高塔一样都牢牢地嵌入地面,它们承受的张力就被耗散了。

桥梁夜景

        除了缆索之外,几乎所有的悬索桥在桥面下都有一个桁架支撑系统。桁架结构既坚固了桥面,同时也降低了桥面发生摇摆和晃动的概率。

其他作用力

        除压力和张力外,设计桥梁时还必须考虑一些其他的作用力。这些作用力通常与桥梁修建的地点或桥梁的设计有关。

梁式桥受力状况示意图

        扭力是一种由于转动或扭动而产生的作用力。拱天然的形状和梁式桥增加的桁架结构都可以消除扭力对这些桥梁的破坏性影响。由于悬索桥悬吊在一对缆索上,使得这类桥更容易受到扭力的影响,特别是在大风天气尤为明显。在设计上不断创新,特别是对桁架结构进行不断的改进,将有助于解决这个问题。

拱式桥受力状况示意图

        共振是指由外力引起的振动与物体本身的振动频率相同。如果对共振现象不加以关注,共振对桥梁的作用力可能是致命的。共振产生的振动会通过波的方式传导至桥的每个部分。

桥梁共振经典案例

        为了减少共振对桥梁产生的影响,桥梁设计者们在桥上安装了减震器,以便对共振波进行干于扰。无论振动持续时间的长短或源自何处,对共振波进行干扰都可以有效阻止共振波的继续扩大。

金门大桥

        减震器主要利用了惯性的原理。假设一座桥的桥面为实心结构,共振波可以轻易地穿过整个桥梁。但是,如果桥面由不同的部分构成,同时桥板又互相叠加,共振波要穿过桥梁就不那么容易了。一部分桥面的运动会通过桥板传递到另一部分,由于桥板相互叠加,就会产生一定的摩擦力。我们需要做的就是制造足够的摩擦力,来改变共振波的频率,以此阻止波的产生。改变频率后会产生另外两种波,但每种波都不会把另一种波转化成具有破坏性的作用力。

跨海桥梁

        大自然的力量,尤其是天气的影响,是迄今为止最难应对的挑战。雨、雪和风每样都可以对桥梁造成致命的危害,如果它们同时作用于桥梁,后果将会很严重。桥梁设计者们通过汲取过去的经验教训,不断提高着自己的技艺。桥梁建设选用的材料也先由铁取代了木头,再由钢取代了铁。每一种造桥新材料和新工艺的应用都是在汲取过去的经验教训后得到的。然而,天气引起的问题却始终没有得到彻底的解决。