橋梁跨度如何確定？一橋如何兩用？
跨越江河湖海，承托公路鐵路——橋梁，在我們的生活中扮演著重要角色。建造一座橋，從工程可行性研究到施工圖設計，少則三五年，多則十幾年，其背后凝結著無數橋人的心血。然而，習慣了使用各種橋梁的人們，卻鮮少知道橋梁設計建造中的秘密。橋梁有哪些不同的橋型？橋梁的跨度由哪些因素決定？橋梁渦振是正常現象嗎？近日，《科技周刊》記者采訪兩位橋梁設計專家：滬蘇通大橋設計負責人張燕飛、河海大學土木與交通學院教授袁愛民，為您揭開其中奧妙。
橋梁形態各異
設計需“因地制宜”
橋梁設計的重點在于確定橋梁跨度布置和橋型方案，選擇合適的材料、裝備、施工技術，每座橋梁建設條件不一樣，碰到問題及設計難點也不一樣。兩個橋墩之間的距離通常稱為橋梁跨度，它主要根據跨越障礙物（水道、公路、峽谷等）的需要確定。中鐵大橋勘測設計院第二設計院副院長、滬蘇通長江公鐵大橋設計項目負責人張燕飛告訴周刊記者，對于長江上的橋梁，橋梁跨度主要由通航、防洪要求決定。他以滬蘇通長江公鐵大橋舉例，“它的橋址臨近長江出海口，航運十分繁忙，通航等級高，船舶噸位大，船舶密度高，是我國航運黃金水道。為保障通航安全和長江黃金水道的航運發展，主通航孔的通航凈寬不應小于900米；考慮橋墩附近的紊流寬度，并加上橋墩防撞設施以及橋梁基礎本身的寬度，經過精確計算，我們最終確定其主跨為1092米。”
張燕飛表示，對于主跨超過千米的橋梁，設計上要尤其注意，橋梁既要滿足大橋的承載能力和正常使用功能，同時也要充分考慮大橋的抗風、抗震安全，重視大跨柔性橋梁的非線性影響和穩定性安全，設計要合理選擇大跨橋梁的結構、材料、施工裝備與施工方案。
從世界現存最早、保存最完整的古代單孔敞肩石拱橋——趙州橋，到世界最長跨海大橋——港珠澳大橋，各式橋梁形態各異。“選擇最合適的橋梁結構形式，從而實現跨越，是橋梁結構工程中的難點所在。一般來說，橋梁類型主要有梁式橋、拱橋、剛構橋、斜拉橋和懸索橋等幾種橋型，不同款式有不同的特點和優勢。”河海大學土木與交通學院橋梁工程研究所教授袁愛民一一進行解說：梁式橋一般用于中、小跨度橋梁，結構簡單，施工方便；拱橋一般用于跨度500m以內的橋梁，與其他同跨度橋梁相比，彎矩、剪力、變形較小；剛構橋受力狀態介于梁橋和拱橋之間，適用于跨度300米以下橋梁；斜拉橋的受力特點是主塔承受軸力和彎矩，主梁承受彎矩和軸力，斜拉索受拉，由于斜拉索的彈性支承主梁彎矩較小，結構剛度較大，塔柱、主梁、斜拉索的相互配合提高了斜拉橋的跨越能力，因此它適用于跨度400米～1500米之間的橋梁；懸索橋的特點是主纜和吊索受拉，塔柱受壓，主梁受彎，錨碇抵抗主纜的水平力，剛度較小，屬柔性結構，因此在跨度800米～1500米之間的橋型中具有競爭力，而在跨度1500米以上的橋型中則是一枝獨秀。
公鐵兩用
人在通行時會感到不適嗎
一座大橋，公路、鐵路共用。滬蘇通長江公鐵大橋正是這樣一座公鐵兩用斜拉橋。為什么會選擇這種橋形？對此，張燕飛解釋，滬蘇通長江公鐵大橋主跨1092m，這種跨度的橋型只適用于斜拉橋或者懸索橋。由于橋址江面寬闊，為了保障長江河道河勢穩定，江中不能設置錨碇，因此無法采用懸索橋。而斜拉橋是自平衡體系，不需設置錨碇，因此采用斜拉橋橋型比較合適。“滬蘇通長江公鐵大橋身兼國家干線鐵路、城際鐵路、高速公路‘三位一體’功能，充分利用了非常稀缺的過江通道資源。”張燕飛說，在一個通道內實現多種交通功能，對于岸線資源寶貴、沿江經濟發達的江蘇地區，可實現通道資源的集約化利用；另外，對跨江橋梁來說，多功能合建橋梁要比分開來單獨建設多座橋梁節省大量工程投資。
前不久，國內多座橋梁發生異常震動，引起社會關注。為何會出現異常震動？這是正常現象嗎？答案是：作為一種人工建筑，橋梁和高樓、電塔等建筑物一樣，在汽車、火車、人群、風、地震作用下都會產生位移和振動，這是結構的自然反應。“風荷載作用橋梁斷面后，繞流在橋梁斷面上形成渦旋，并交替脫落引起振動，這也就是我們所說的‘橋梁渦振’。”袁愛民告訴記者，每座橋在風荷載作用下都會不同程度地產生這種現象。當渦旋脫落引起的振動大于規范限值或人體感知范圍（因人而異)時，橋梁振動就會引起舒適度問題，長期大幅振動則會引起疲勞問題。
而滬蘇通長江公鐵大橋是否會出現這種情況呢？張燕飛表示，大橋為斜拉橋結構，主梁采用鋼桁梁，具有剛度大、結構自重大、結構阻尼比較大、桁梁結構對氣流擾動大不易形成大旋渦等特點。經過專門的抗風分析與風洞模型試驗，滬蘇通長江公鐵大橋不致發生由于渦激振動影響橋梁的安全、人體舒適度及行車安全性的問題。
突破創新
期待更多杰出橋梁工程
“我國是橋梁大國，近年來修建了很多世界跨徑的橋梁。”袁愛民舉例說，盧浦大橋是世界上跨度最大的鋼箱拱橋，滬蘇通長江公鐵大橋是世界上跨度最大的公鐵兩用斜拉橋，廣西平南三橋是世界上跨度最大的鋼管拱橋。
這些年來，中國建橋人不斷刷新世界橋梁記錄，無論是新理論、新結構、新材料的研發應用，還是新裝備的制造，中國橋梁建設相較以往有較大突破。擁有世界首條海底深埋沉管隧道的港珠澳大橋，在其島隧工程建設中，隧道沉降平均6厘米左右、對接合龍精度2.6毫米、6公里沉管滴水不漏，為世界提供了“中國標準”；滬蘇通長江公鐵大橋發展了大跨度鐵路橋梁的設計理論，采用三索面三主桁新結構，研發具有世界最高強度的2000兆帕平行鋼絲斜拉索、優良韌性與焊接性能的Q500qE高強度新型鋼材、研制世界上起吊重量最大的1800t步履式架梁吊機等，均達到國際領先水平。
隨著21世紀我國大型跨江、跨海橋梁的成功建設，我國橋梁建設水平已走在世界前列。然而，橋梁建設只有逗號，沒有句號，正如中國工程院院士、橋梁設計專家林元培曾說：“我國是發展中的國家，有長江、黃河，有遼闊的海疆，有大量工程機遇，為橋梁工程師提供了施展才華的平臺。橋梁工程師應不斷創新，建成更多的杰出橋梁工程，引領我國走向橋梁強國。”長期致力于建筑結構工程領域科研的周緒紅院士表示，我們必須繼續研究橋梁建設特點，創新體制機制，從根本上提高橋梁建設的創新發展能力。
本報記者 謝詩涵 蔣廷玉
(文章來源52監測網，本文轉載自新華日報，僅用來學習及交流，侵權刪）
