两点之间直线最短 大桥为何造的弯来弯去？

两点之间直线最短 大桥为何造的弯来弯去？ 原创 铁流 2019-03-15 15:33:39
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中国的地形堪称地球表面最为复杂，我们最不缺的就是桥梁。
它们有的跨河，有的跨海，有的跨越山谷，有的跨越铁路，如果你仔细观察还会发现，它们有的是直的，有的却是弯的。这是怎么一回事呢？

（这是跨越峡谷的北盘江大桥，它是直的）

（这是跨海的港珠澳大桥，它是弯的）
（一）什么桥是直的，什么桥是弯的？
从理论上讲，工程师们希望尽可能地将所有的桥都设计成直的。
原因很简单，两点之间线段最短，直的大桥不仅省材料、省人工，更关键的是省脑子啊。
相比起受力简单、基本属于平面受力结构的直桥，弯桥的受力要复杂许多倍。弯矩、扭矩、弯扭联合作用，使得弯桥的受力令人难以捉摸，计算和设计都变得十分复杂。
因此，对于那些比较短的大桥，尤其是跨河、跨谷的单跨部分，工程师们都是尽可能地让它们保持直线的，这样可以尽可能地简化受力，最大限度确保安全。

（一个典型的直桥受力）
可是跨海大桥就不同了。它的桥长动辄几十公里，比如我们所熟知的港珠澳大桥，主桥长55千米；东海大桥，长32.5千米；日本濑户大桥，长37.3千米……所有这些跨海大桥，就没有一条是直的，这是为什么呢？

（跨海大桥不仅要弯，而且要弯出花来）
要知道“跨海大桥为什么是弯的”，我们可以先从“公路为什么是弯的”开始讲起。
开在高速公路上时，我们一定会发现，无论你怎么开，前方的道路永远不会出现超过三分钟的连续直路，舒舒服服地开上一小会儿，总是要拐一下，避让开什么东西，或者干脆什么也没有的时候也会转弯。
这一方面是因为，陆地上难免会有些丘陵起伏，最好的办法就是让我们的道路稍微拐拐绕过它们；而另一方面，长时间的直线驾驶会令驾驶员迅速疲劳，酿成事故。
因此，即使是几十公里的大平原，工程师们也会故意将道路设计得拐上几个弯，让司机动动手，动动脑，可以十分有效地降低事故发生率。

（高速公路往往隔三岔五就要拐个弯，不知道你有没有注意到）
（二）大桥的弯是怎么来的？
与那些只有一两公里长的河上“小桥”不同，动辄三五十公里的跨海大桥，本质上也是一条高速公路。
司机在上面开车，如果不去隔三岔五地拐几个弯，也是很容易疲劳、很容易出事故的。光凭这一点，跨海大桥有点弯曲，从而引导驾驶员的视线来避免视觉疲劳和精神懈怠，这也是很正常的。
但跨海大桥的弯曲，其实远不止这么简单，其中最重要的原因就是，海洋的底部并不像它的表面那样平整，而是充满了丘陵起伏。

受到海水和海洋生物的腐蚀后，海底的地质环境也会千奇百怪，有的地方是坚固的基岩，可以直接把桥墩架在上面；有的地方则是疏松的淤泥，需要打下深深的桩到几十米以下的基岩上，桥墩才能稳固；有些地方则干脆就是断裂带，根本就不能搭建任何建筑物，更别说几万吨重、设计寿命120年的大桥了。
比如我们熟知的港珠澳大桥，海底就是深达几十米的淤泥，我们看到的水面上粗粗短短的桥墩，其实在水面以下宛如一根根定海神针。

（港珠澳大桥的桥墩貌似粗短）
所以在大桥架设前，早有工程师们仔仔细细地研究了附近海底的地质结构，巧妙地避开了一切不适合建造大桥的地质环境，选好了大桥的路线。这条路线当然不太可能是直线，必定要东绕西绕。
这还不算完，大桥的布线，还要考虑到最重要的一点：海洋中的洋流和海流。
在海洋中，海水是24小时不停地流动的，而且全年无休，这会持之以恒地对大桥造成冲击，这种海浪冲击远远大于普通桥梁，它的流动虽然有一定的规律可循，但却来自多个方向。通过设计S型曲线，能让水流通过引导减少对桥梁造成的伤害。
此外，还有反复无常的台风在水面以上不停地袭扰着大桥，面对这种来自四面八方的横向力，直桥的抵抗能力很差，一定要弯桥才能更加稳定。
所以，把长度很长的跨海大桥，修建成一条弯曲的曲线，受到了自然和现实多种因素影响，这并不是在浪费建材。
（三）弯桥要怎么修才好？
扭矩的存在，是弯桥与直桥受力最大的不同点。
什么是扭矩呢？举个简单的例子，当你扭转一个门把手时，其实就是对它施加了扭矩。
扭矩的原理很简单，但与弯矩耦合后，就会成为计算上非常令人头疼的东西。
弯曲的梁在荷载的作用下会同时产生弯矩和扭矩，并且相互影响，使梁截面处于弯扭耦合作用的状态，其截面主拉应力往往比相应的直梁桥大得多。
这是曲梁独有的受力特点，尤其是放大到了梁端，还会出现翘曲、位移等变形，对于桥梁安全的危害很大。
因此，弯桥的受力必须经过妥善而精密的计算。在有限元软件发明之前，想要设计这样一座弯桥可真的是会把工程师的头算破的。

（扭矩的原理）
好在有了有限元，计算机会帮助工程师完成大桥的受力计算。
简单地说，有限元就是近似地将你想要设计的大桥分成若干个小块，再设定好边界条件。比如，大桥哪里受到了约束，哪里与哪里的连接比较紧密，再把大桥所受到的荷载，包括自重、车辆压力、风荷载和地震荷载加上去，计算这些小块各自的受力，就可以近似地得到整个大桥的受力。
这样一来，整个弯桥的受力情况就可以比较精确地获得了。

（桥梁的有限元）
与直桥不同，弯桥的桥梁受力会与桥墩台形成耦合。弯桥下部结构墩顶水平力，除了与直桥一样有制动力、温度变化引起的内力、地震力等外，还存在离心力和预应力张拉产生的径向力。
因此，在曲线桥梁结构的设计中，应该对整个结构进行全面的整体的空间受力计算分析。
除了横向力外，还必须对其在承受纵向弯曲、扭转和翘曲作用下，结合自重、预应力和汽车活载等荷载进行详细的受力分析，充分考虑其结构的空间受力特点，才能得到安全可靠的结构设计。
由于弯桥的受力复杂，除了弯矩和扭矩联合作用外，拐弯内侧梁和外侧梁的受力也不均匀。
为了抵抗梁截面的弯矩和扭矩，故而在弯梁桥设计中多采用横向强度也很高的箱形截面。
由于桥面超高，加之为了满足梁体受扭时外边梁受力较大的强度需要，因此还会在桥梁横向将各主梁布置做成不同的梁高。在配筋设计上，也要考虑这种扭矩，在腹板侧面布置较多受力钢筋，并且配置许多抗扭钢筋。

（弯桥的工程实践中经常采用的箱型截面）

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