本篇報道圍繞2018年上海市科技進步獎一等獎項目“雙主跨纜索承重橋梁的動力特性優化和風致振動控制”展開，該獎項由同濟大學葛耀君教授領銜的團隊獲得。

　　橋梁是指架設在江河湖海上，使車輛行人等能順利通行的構筑物。先秦典籍《鹖冠子•備知》中曾云：“山無徑跡，澤無橋梁，不相往來。”今天的橋梁變得越來越現代化，人類的通行體驗越來越舒適，在這個過程中也遭遇了越來越多的技術難題。

　　中國曾經創造了兩項世界紀錄，武漢二七長江大橋是全世界最大跨度的雙主跨斜拉橋，馬鞍山長江大橋是全世界最大跨度的雙主跨懸索橋之一（世界紀錄保持至今，全長36.14千米）。在設計建造中，同濟大學葛耀君教授牽頭的科研團隊創造性地根據橋梁的動力特性，解決了風致振動問題，使得兩座大橋堅如磐石，橫亙于長江兩岸，為我國大跨度橋梁的建設與發展提供了強有力的科技支撐。

　　讓我們來了解下，解決這些難題背后的故事吧！

　　

　　武漢二七長江大橋是全世界最大跨度的雙主跨斜拉橋

　　

　　馬鞍山長江大橋是全世界最大跨度的雙主跨懸索橋之一

　　起源于中國的纜索承重橋梁

　　纜索承重橋梁是大跨度橋梁的主要橋型，是橋梁輕型化和跨江海通道的主要方案。纜索承重橋梁又有兩個橋型，一種是懸索橋，另一種是斜拉橋。

　　懸索橋主要通過索塔懸掛并錨固于兩岸橋塔的纜索（或鋼鏈）作為上部結構主要承重構件的橋梁，橋塔的地基位于河岸兩側的地面上。

　　

　　單主跨懸索橋結構（理想結構）

　　斜拉橋又稱斜張橋，是將主梁用許多拉索直接拉在橋塔上的一種橋梁，其橋塔位置位于靠近的陸地的水面上。

　　

　　雙主跨斜拉橋（實際結構）

　　葛耀君介紹說，我們比較熟悉的早期懸索橋包括位于四川甘孜藏族自治州的瀘定橋，紅軍長征“飛奪瀘定橋”的故事就發生在那里。這座長達103.67米，寬3米，由13根鎖鏈組成的橋梁，重達40多噸。瀘定橋修建于1705年，滾滾流淌的大渡河，如同一道無法逾越的分水嶺，阻礙了川藏之間的物資交流。大河兩岸堆積的物資如山，一些無法長時間保存的鮮貨因此而糜爛。軍隊調遣的任務，也因為大渡河無法跨越而受阻。為了解決這一自然難題，當時的康熙皇帝一聲令下，就決定修建瀘定橋。

　　事實上，懸索橋就發軔于中國。根據歷史記載，早在2000多年前，中國就出現了懸索橋，四川《鹽源縣志》記：“周赧王三十年（公元前285年）秦置蜀守，固取笮，笮始見于書。至李冰為守（公元前256—251年），造七橋。”而七橋之中有一笮橋，即竹索橋。公元前50年（即漢宣帝甘露4年），當時的四川建成了長達百米的鐵索橋。1665年，徐霞客曾撰寫過一篇題為《鐵索橋記》的游記，文章詳細記載了貴州境內一座跨度約為122m的鐵索橋。

　　相比之下，斜拉橋的歷史比較短暫。1949年，德國著名的橋梁工程師迪辛格爾（Dishinger）發表了他對斜拉橋的結構體系的研究成果，為現代斜拉橋的誕生和發展奠定了理論基礎。1952年，德國萊昂哈特（Leonhardt）教授在世界上第一個設計出現代化斜拉橋——德國杜塞爾多夫跨越萊茵河的大橋。1953年，迪辛格爾與德國承包商德瑪格公司承建了瑞典的斯特羅姆松德橋，這是世界上第一座現代斜拉橋。我國于1975年在重慶云陽建成了第一座試驗性斜拉橋；1991年，上海南浦大橋建成，開創了我國400米以上特大斜拉橋的先河。目前世界上最長斜拉橋是俄羅斯羅斯基島橋和中國蘇通長江公路大橋。中國也是擁有斜拉橋最多的國家。

　　風振之惡和塔科馬海峽吊橋之殤

　　對于纜索承重橋梁來說，最大的威脅是風振。葛耀君介紹說，結構風致振動大致可分為兩類，一類是自激發散振動，例如顫振和馳振，振動結構可以不斷從氣流中獲取能量，抵消阻尼對振動的衰減作用，從而使振幅不斷加大，導致結構風毀，這實際上是一種空氣動力失穩現象，對橋梁危害最大。另一類是限幅振動，例如渦激振動和抖振，渦激振動是由結構尾流中產生的周期性交替脫落的旋渦引起，當一個結構物處于另一個結構物的渦列之中，還會激發出不規則的強迫振動，即抖振。渦振和抖振均可在低風速下發生，雖不具破壞性，但會對桿件接頭等連接部位造成疲勞破壞。

　　世界上最有名的風振事故是塔科馬海峽吊橋坍塌。1940年7月1日，美國華盛頓州的塔科馬海峽吊橋正式通車，該橋長1810米，寬12米，當時為僅次于金門大橋和喬治華盛頓大橋的世界上第三大懸索橋，讓人意想不到的是大橋建成后四個月就發生了坍塌。對于塔科馬大橋坍塌的原因，專家們并沒有達成統一意見。部分工程師認為塔科馬吊橋的振動類似于機翼的顫振。以力學大師馮·卡門為代表的另一派專家則認為，塔科馬吊橋的主梁是H型斷面，和流線型的機翼不同。經過加州理工學院風洞內的模型測試后，馮·卡門猜測這場災難源于一種現象——卡門渦街。

　　

　　風振事故之塔科馬海峽吊橋坍塌

　　塔科馬海峽吊橋的坍塌使得空氣動力學和共振實驗成為建筑工程學的必修課。日后，在建設特大橋梁的時候，科學家和工程師都會認真考慮風振對橋梁的影響。

　　建設雙主跨纜索承重大橋

　　雙主跨纜索承重橋梁是近年來出現的新型橋梁建造模式。

　　“現在懸索橋的一跨世界最高紀錄接近2000米，斜拉橋的一跨最高紀錄達到1100米。但是如果未來我們要建造超過3000米的特大纜索承重橋梁該怎么做呢？目前國家有建設瓊州海峽和臺灣海峽跨海大橋的規劃。解決的方法就是建設雙主跨，甚至多主跨大橋，可以跨越寬闊的大海。特別是臺灣海峽中有1萬米左右的深水區，多主跨大橋是經濟有效的建筑方式。這也是人類橋梁建設能力的又一次飛躍！”葛耀君說。

　　雙主跨纜索承重橋梁比傳統的纜索承重橋梁多了中塔結構，而且建筑結構也有很大不同，風振對于兩類大橋的影響也是完全不同的。根據測算，單主跨纜索承重橋梁與相應的雙主跨纜索承重橋梁之間的動力特性相差可達50%左右。

　　

　　同濟大學葛耀君教授

　　葛耀君介紹說，傳統的纜索承重橋梁布置成兩個橋塔借助纜索支撐中間一個主跨，雙主跨纜索承重橋梁是為了提升跨越能力增加了一個主跨并形成了三塔支撐兩個主跨的新結構。由于中塔無法像兩個邊塔一樣借助墩錨的直接支撐作用提高剛度，使得中塔剛度大幅下降，直接導致雙主跨橋梁比單主跨橋梁的動力特性劣化、風致振動加劇，并且直接影響到雙主跨纜索承重橋梁的建設與運營安全。

　　這樣的難題該如何解決呢？葛耀君團隊采用理論分析和數值計算方法，創造性地提出并在依托工程中實踐了提高雙主跨斜拉橋和優化雙主跨懸索橋中塔剛度的方法，改善了結構動力特性，解決了雙主跨纜索承重橋梁自振頻率低的難題。

　　如何讓大橋穩若磐石

　　葛耀君說，我們發現，如果提高斜拉橋中塔的剛度，動力特性就會大幅度改善，而且從理論上說，斜拉橋中塔剛度可以無限增強。但是從實踐看，中塔剛度是邊塔剛度的6倍是最合適的，而解決方式是加大中塔的剛度，將斷面加寬。但是雙主跨懸索橋的中塔剛度不能無限增強，雙主跨懸索橋主纜和塔頂鞍座之間有摩擦系數，大約在0.2～0.3之間，如果中塔剛度過大，橋梁兩側不平衡受力時會發生滑移，橋梁就會有坍塌的危險。同濟大學為首的科研團隊做了三種類型的雙主跨懸索橋，發現中塔剛度是邊塔剛度的2～4倍是最佳選擇。

　　雙主跨懸索橋的斷面也與單主跨懸索橋不同。葛耀君舉例說，馬鞍山長江大橋的斷面鋼箱梁上有個檢修車軌道，這是按照傳統單主跨懸索橋的模式設計的，但是我們風洞試驗下來發現，如果按照這種結構，無法達到抗風的理想效果，所以我們就人為增加了氣動措施，滿足了安全要求，這些設計也申請了國家發明專利。

　　武漢鸚鵡洲長江大橋是850米跨度的雙主跨懸索橋，在這座大橋建設過程中，科研團隊采用了風嘴和上/下穩定板組合顫振氣動控制技術，創新性地采用豎向穩定板模式，在保證安全的前提下，為工程方節省了2億元的建造費用。

　　雙主跨斜拉橋中塔兩側主梁雙懸臂施工時，容易產生大幅抖振現象，有巨大的安全隱患。科研團隊創造性地增設單側臨時墩的風振控制方法，顯著減小了中塔主梁雙懸臂端部的風振位移和根部的風振內力，保證了大橋的安全施工。

　　更有意義的是，這些相關技術已經推廣應用于瀘州長江六橋、溫州甌江北口大橋和舟山舟岱大橋等的建設，建成多年來，這些大橋穩如磐石，均沒有出現過任何安全事故，國際競爭優勢明顯。

　　美國工程院院士、國際橋梁維護和安全協會主席、美國里海大學教授、國際著名橋梁專家丹·弗朗戈波爾（Dan M. Frangopol）教授對于中國人的創新設計給予了高度評價，他認為同濟的團隊專注于雙主跨和雙橋面的纜索承重橋梁跨越能力的提升，取得了很好的效果。

　　“世界科學”聯合“賽先生”微信公號，在上海市科學技術委員會資助下，開辟“走近科學”欄目，對獲得國家及上海市科技獎勵的成果進行科普化報道。

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