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马平:悬索桥你为啥那么长?矮寨大桥现场聊力学,人人看得懂

2017-08-08 08:47:45

【文/观察者网专栏作者 马平】

自拍为敬

大家好,我是一个自媒体人,同时是一个已经离职十年的土木工程师,所以今天来陪大家一起参观矮寨大桥。不过,我十年前也只是一个普通设计员,不是什么专家。今天看大桥,我和大家的视角完全一样,是以一个普通人的身份,一个普通八零后的身份来参观这座长达千米的悬索桥超级工程。感谢比亚迪公司“王朝之旅”提供这个机会。

现场比这还惊人

说到今天的参观,我为这座大桥感到震撼,一方面是因为它的尺度真的很大,单跨1公里多,垂直落差几百米,风景很漂亮;另一方面,这座桥,当然还有21世纪的很多大桥,颠覆了我在20世纪形成的桥梁概念,让我觉得它的形状超出了我童年的直观概念,是科幻电影里才应该有的场景。可以说,21世纪的中国制造,超越了20世纪中国人最疯狂的想象。

雾天看不到另一端的时候更酷

20世纪,我们中国人造的桥是什么模样呢?我和大家共同怀旧,下面几幅图应该可以帮助大家回忆20年前的中国。

1

2

3

4

5 留下的一节

矮寨不远的凤凰古镇大桥

我给当时的桥梁总结了几个特征:

首先是桥梁的主体受力结构在桥面之下。

其次是桥梁的跨度不大。

第三是和桥梁的跨度比,桥梁的结构比较“厚重”,

根据这三个特征,我可以再找一座大家都认识的桥:

赵州桥

可以看到,20世纪我们修的大多桥都没有明显超出赵州桥的水平。而且当时的工程师还很喜欢修赵州桥这种拱桥。当然,20世纪的现代桥梁荷载比赵州桥要大,上面可以开卡车,但从受力方式,从审美角度来说,甚至从单跨长度来说,二三十年前的中国城市桥梁还真的未必比1500年前的赵州桥强很多。毕竟赵州桥是古代桥梁几千年筛选下来的优秀设计,我们日常见到的桥梁只是普通设计师和施工队造的。这就是20世纪中国制造的水平。

就算是当时的国家级工程,也符合上面说的几个主要特征。我小的时候,武汉长江大桥印在人民币上,南京长江大桥印在小学语文课本上。从待遇来看,这绝对是国家级项目,是当时中国制造的最高水平。

记得这张钱吗

武汉长江大桥

我的小学语文课本

南京长江大桥

但我们看这两座桥,从汽车的视角来看,桥的主体结构还是在桥面下面;桥梁的总跨度虽然能过长江,但最大的单跨也只有100多米,相对桥梁的高度和长江的宽度来说,算得上很小,从视觉上看还是显得桥梁很“厚”。

大家可以想象一下,现在再编小学课本,再发行新的钞票,会把什么样的桥画上去?今天参观的矮寨大桥显然是有资格入选的。但抛开这种工业奇迹不说,就说我日常生活中经常遇到的桥,也和几十年前的完全不一样。一般来说,开车在桥面上行驶的时候,我们习惯于到受力结构在我们的身边,甚至在头顶,不是在脚下。而几十米,上百米甚至几百米的大河或者山谷,一般都没有桥墩下去,一跨就过。至于桥面厚度,和桥梁的高度比,和跨度比,从远处看过去简直就像一张纸,但我们也不会觉得不安全。这就是现代大桥的特征,是我从一座桥就能看出时代感的原因。我平时生活在上海,用身边的桥给大家举几个例子。

卢浦大桥

杨浦大桥

苏通大桥

为什么会有这种变化呢?本质上就是中国工业发生了质变。为了帮助大家理解中国工业和大桥之间的联系,我略微介绍一点力学。大家不用担心看不懂,因为接下来我一个公式甚至一个数字都不会说,只给大家看几张原创图片。

首先,我们为什么要修桥?因为要跨过河流和山谷,因为地球重力把我们往下拽,如果没有桥面托着,我们就会掉下去。所以,桥梁主要克服的是重力,是垂直荷载。

如果是一根柱子,或者一堵墙,那么垂直荷载制造的主要是压力,但我们之所以要修桥,就是要在桥下留下空隙,让水或者其他的车辆通过,否则桥和路就没区别了。

一根柱子好解释

但不能把柱子排起来,那是墙不是桥

简单地说,桥必须悬空,必须在桥面下面留空间。但只要桥面悬空,桥梁的垂直荷载就立刻会产生水平方向的应力,这是修桥最主要的问题。大家都注意过过去工地上的水泥预制板吧,只有一面有钢筋。因为这些预制板是用来当楼板的,悬空受到垂直荷载的时候,下面有伸长的趋势,受拉力;上面有收缩的趋势,受压力。混凝土能受压不能受拉,所以要在下面布置钢筋承受拉力。

上面受压,下面受拉,中间呢?

注意:预制板是分上下的。下面几块预制板摆放正确,钢筋分布在下表面受拉。

反了会塌的

桥梁和楼板一样,在悬空的情况下,我们必须先解决水平向受拉和受压的问题,然后才能把垂直的荷载传导到地上。如果我们简单地把一根梁(板)搭在小河两岸,也会像预制板那样,上面受压,下面受拉。这样的桥板如果经受住了垂直荷载,我们就称之为简支板梁桥,是最简单的桥型,适合用来修小桥。

随着桥越来越大,当然考虑到节约材料,优化结构。不难想到,既然桥梁的上面用来受压,下面用来受拉,中间岂不是浪费了?(注意上面那张示意图,上下表面中间的部分长度不变,不受力)所以,回头看上面的照片,预制板中间有孔,就是为了节约不受力的那部分材料。工字梁和箱型梁甚至会直接把中间挖空,只保留必要的连接部分。

工字钢

箱梁,肚子是空的

这个思路继续发展下去,就是桁架桥,中间彻底挖空,可以用来铺路,让车辆通过。南京长江大桥的铁路就在桁架中间通过。我们今天走的矮寨大桥,为了承受两个拉杆之间的荷载,桥面也是一个比较薄的桁架。总之,一座现代化桥梁,要尽量避免在受拉和受压的部件之间浪费材料。

典型桁架桥

南京长江大桥,铁路在上下桁架之间通过。

矮寨大桥也有桁架

但这还不够,因为从理论上说,既然汽车可以在受拉和受压部分之间开过去,桥下的水流没必要一定在桥梁“外面”通过,我们完全可以把桥梁“受拉”或是“受压”的部分做的大一点,大到可以把地球作为桥梁的另外一部分。让地球承受压力,桥梁自己承受拉力;或者地球承受拉力,桥梁只承受压力。

比如说拱桥,受力模式是这样的:(绿色是桥面,黑色是荷载,红色是受压构件,蓝色是受拉构件,虚线为虚拟受力线)

多年不画

如图所示,拱桥整体受压,通过两侧的基础,向两侧传递压力。这意味着人类修筑的部分在“上”,用来受压,而地球在下,被两个基础“拉开”。只要基础修的好,地球是不会被“拉”坏的,所以我们只需要建造受压部分,节约了很多材料。

另一种思路是我们只修受“拉”的部分,让地球承受压力。比如说我们今天看的矮寨大桥是悬索桥。主要受力结构只受拉,不受压,但实际上通过两侧的锚栓,向地球传递拉力,客观上是把两侧的山体向中间“压”。

都受拉,水平方向谁受压?

我们可以设想,有一个虚拟受压的杆(红色虚线)从空中通过,从两侧承受压力。这个杆的功能是由地球来替代的。(下图红色实线)可以说,这就是把拱桥的结构倒过来。(斜拉桥也可以看斜撑在峡谷上的桥倒过来。)

还是倒霉的地球

拱桥和悬索桥的受力模式虽然相反,但都用地球替代了一半的受力构件,而且不用考虑受拉面和受压面之间的连接,在力学上是最有利的两种结构。我们对比一下悬索桥和拱桥这两种极端情况,哪一种更有利呢?首先必须说,在工程上没有绝对的优劣。但是,只从理论上说,如果桥的跨度越来越大,悬索桥受拉比拱桥受压是有利的。因为材料做不到绝对均匀,肯定有结实的部分,有不那么结实的部分。受力也不会绝对均匀。无论受压受拉,截面上肯定有一部分受力更大,或者有一部分更容易变形。

在受拉的时候,不那么结实的部分,或者是受力比较大的部分被拉长,受力就会分到更结实的部分,分到其他受力小的部分。而受拉构件整体上依然保持直线。只要整体上承受能力足够,桥的形状就不会变,就不会扩大破坏面。

受拉考验的是整体承受能力

但受压的时候不一样,不那么结实的部分被压缩,整个结构会弯过来,在薄弱的地方施加更大的压力。越是弯曲,薄弱的地方就越危险。等到薄弱的地方被压坏,或者说在弯曲的情况下被掰断,桥就垮了。这在工程上称为“失稳”。所以,拱桥,尤其是大跨度拱桥是不能充分利用压力的。拱桥一般修到几百米就是极限,不会用来跨越矮寨大桥这种一公里的峡谷。

受压的时候,越是薄弱点,越要压担子,局部破坏会扩大

受拉件只需要考虑整体承受能力,受压构件的局部受压能力必须折减。如此看来,矮寨大桥这种悬索桥应该是最有利的桥型。一方面只受拉,不受压,把压力转移给地球。另一方面又不像拱桥那样容易失稳。但是,就我过去的几十年观感——相信也是各位近几十年的观感来说,大多数桥梁要么是拱桥,要么是修很多桥墩的连续小跨径桥,很少有矮寨大桥这种悬索桥,也很少有斜拉桥。甚至长江大桥都可以修拱桥。以至于我们这些生于20世纪的人,看到现在的新式大桥会有科幻感。为什么会有这种反差呢?

缺钢筋,所以上百米的桥还是石拱桥,和赵州桥一回事

万县大桥,跨长江都用拱桥

前面我们提到过,混凝土和石头的抗压能力比较强,钢材的抗拉能力相对更强。所以钢产量少的时候,我们就尽量多造那些受压部件多的桥,最好是拱桥。而且是那种拱圈在下的拱桥,免得还要设拉杆。这就是为什么过去的桥梁拱桥多,桥墩多,桥面一般在上。当然了,这样的桥跨度也大不了,遇到矮寨大桥这种峡谷,就要花一两个小时从盘山公路下去,到达小桥能跨越的地方,过河后再慢慢地绕上去。

峡谷底部有小桥

现在我们中国是世界第一钢产量大国,以20%的人口生产全世界一半的钢材,所以我们有足够的钢材用来制造受拉构件。包括楼房里的钢筋,包括钢梁,也包括大桥上的钢缆。今天去看的矮寨大桥,缆绳全部是国产的。

中国的崛起

我刚刚看了新闻,今年上半年中国的钢产量是4.2亿吨,超出世界一半。你可以说这里面有生产力过剩,有污染,但无论如何,这意味着钢铁行业的下游产业可以得到充足、廉价的供应,可以随便使用之前不敢想象的材料。绝大多数工业部门的设计师,在钢铁的支持下都可以落实此前不敢想象的创意。所以我们看到了一个相对30年前很科幻的中国。

今年已经过半,图落后了

钢产量改变我们的生活,不止是在交通方面。比如说现代中国人的爱情也被钢产量塑造了。因为谈恋爱需要两个人有私密空间,而私密空间就需要多盖房子。过去房子不够,无论城市农村,几代人住在一起是常态,所以父母包办婚姻也是常态。现在的年轻人,就算是普通工人,两个人工资放到一起也可以租一个房间。如果没有足够的钢产量,造不出足够多的独立房间,就没有今天年轻人的自由结婚,自由恋爱。和我们父母,我们的祖父母一代相比,制造业对生活方式的改造,可能比交通方式的改变更剧烈,更有科幻感。

当然,这个科幻感是相对我们国家的过去而言的。横向比较,美国这样的国家在我出生前,甚至在我的父母出生以前,就已经制造了很惊人的建筑,过上了工业化的生活。比如说,金门大桥是1937年造的,曼哈顿大桥是1909年修的,纽约布鲁克林大桥是1883年修的——那一年甲午战争还没打,毛泽东还要十年才出生。对于我们中国人来说,那一年也不是1883年,而是光绪九年。

1937 金门桥

1909年曼哈顿大桥

1883年布鲁克林大桥

之所以美国人在一个世纪前就能修这种超级工程,就是因为当时美国工业很强大。我们中国现在是在补课,虽然在很多方面,尤其是土木工程方面已经超过了美国,但和当年落后的距离相比,我们现在的领先还很有限,还需要继续发展制造业。没有发达的制造业,设计师再多的创意也没法落实。悬索桥这种桥形本来出现的很早,长征时通过的那个泸定桥就是悬索桥。但一直到钢产量以亿吨计,大跨度悬索桥和斜拉桥才变成我们国家的主流桥形。

泸定桥

为什么钢铁是制造业的基础呢?因为,从历史上看,工业最重要的就是两点,第一是材料,第二是能源。只要突破了这两个问题,其他行业的工程师才能发挥自己的创造力。第一次工业革命,能源方面的突破是蒸汽机替代人力,材料方面是铁替代木头,这次革命把我们人类带进工业时代。第二次工业革命,能源方面是电动机、内燃机,材料方面是钢材,把工业从铁路沿线推到整个世界。

中学知识

现在已经是第三次工业革命了,碳纤维、石墨烯行业是解决材料问题;在海里挖可燃冰,还有太阳能,就是解决能源问题。但也要看到,在第二次工业革命的层次上,中国还有很多地方要补课,还要追赶西方最先进的工业部门。比如说汽车就是典型的第二次工业革命产物,我们中国汽车产量刚刚达到世界第一没几年,优势还不像钢铁工业那么大,在发动机、变速箱这些方面还有很多细节赶不上人家。至于飞机和飞机发动机,那差的就更远了。

中国现在搞新能源汽车,实际上就是在利用第二次工业革命的结构性机遇,用第三次工业革命的技术来补上第二次工业革命的差距。我前面提到,第一次工业革命的能源是蒸汽机,第二次工业革命就是内燃机和电动机。为什么第二次工业革命的主要动力机有两种呢?

作为资深的驾驶员,这个原因大家都知道。因为电池的能量密度太低,电动机用在固定的场合很合适,但一旦运动起来,拖不动能长期驱动自己的电池。所以,在固定的场合,比如工厂,我们能用电就用电;在有轨道的时候,我们也尽量通过轨道输电,给交通工具用电动机,比如说电力机车,城市电车。但是如果连轨道都没有,一般只能靠烧油的内燃机了。这就是为什么汽车离不开加油站的原因。

另外,电池要保证电压和电流,必须几十几百个连在一起才能驱动发动机。但如果其中某个电池出了问题,老化了,不仅不能贡献电力,还可能成为整个系统的负担,影响其他电池的发挥。要是驾驶员一边开车,一边还要操心电池组的安排,要更换电池,也是没法工作的。所以燃油发动机是交通工具的主流。

到了21世纪,一方面化学进步提高了电池的能量密度,另一方面计算机越来越便宜,可以装在车上管理电池组。我们终于可以从新的捷径去追赶第二次工业革命的欠账了,在这个历史环境下,可以说,我们中国作为世界第一工业大国,就应该诞生一批强大的新能源汽车公司。比亚迪在这种环境下崛起,可以说是应运而生,符合历史的发展趋势。

我查了一下比亚迪的历史,2003年之前,这是一家比较纯粹的电池生产厂。2003年开始,比亚迪开始造汽车,推动中国汽车工业弯道超车,追赶欧美已经很成熟的内燃机汽车企业。很巧,就在那几年,中国互联网文学也开始起飞,2003年出现了一部标志性的军事科幻小说《醒狮》。

十四年过去了,回头看这本小说,写作水平一般,但是内容很有代表性。作者在2003年就意识到,中国的国力在今后几年将有爆炸性增长,将从一个重要的工业国家成长为全球最大的工业国,最终要借助这个国力颠覆世界秩序。这本书最重要的设定就是“金龙电池”,一种超高密度电池,能颠覆整个军事工业和民用工业的电池。借助这种电池,中国制造了功能最强的手机,研发了先进的飞机,还有电力坦克,在东面解放台湾,控制东南亚,在西面翻越青藏高原,解放锡金,打败印度,和现在的国际形势多少有些相似。

《醒狮》开头

《醒狮》金龙电池

《醒狮》 电池性能

《醒狮》 锡金之战

14年后的今天,再看几张当年小说的预测。虽然里面提出的技术指标和国际形势有些偏差,但我们能发现,2003年已经有人认识到电池技术和整个国家发展战略之间的关系,期望中国通过发展电池技术来打破欧美在第二次工业革命中形成的领跑地位。这正是比亚迪和很多中国企业正在做的事情。

现在,中国东部大多数城市都能看到比亚迪的品牌,尤其是满街都是不烧油的电动公交车。这对20世纪的我来说,已经很科幻了。而汽车的电力供应足了,不仅仅是改变了汽车的动力来源,也给汽车的智能化提供了机遇。过去燃油车那个小电瓶的电量太小,如果汽车全面智能化,如果将来的汽车转向自动驾驶,要在旅途中给我们提供办公室一样的办公环境,靠过去的汽油发动机加电瓶是拖不动的,只有新能源汽车能解决这些问题。可以预计,5年,10年后,中国街头的汽车还会继续给我更新的科幻感。

我们今天来参观矮寨大桥,看到了钢铁工业的进步改变了中国桥梁的形态,让中国赶上了美国的水平。我相信,作为中国制造的基础之一,比亚迪在新能源方面的进步,也会让我们在汽车和其他行业赶超欧美发达国家。再过几年,等到新能源这个基础再扎实,就能把更多的汽车打进欧美主流市场,来自外国的专家也会觉得我们代表制造业的未来,到中国给我们做锦上添花的工作。相信在新能源汽车方面,中国人也能创造出不逊于矮寨大桥的奇迹。

谢谢大家。

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马平

马平

媒体人,前工程师

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来源:观察者网 | 责任编辑:宋煜昊
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