连通天堑,“桥”见未来

2023-06-25 11:00本刊综合
发明与创新·中学生 2023年7期
关键词:赵州桥桥墩大桥

本刊综合

我国是桥梁大国,自古就有“桥梁的国度”之称,千百年来形成了兼具历史遗风和地方特色的桥文化。无论是现存年代久远、保存完整的单孔坦弧敞肩石拱桥,还是杨柳堤岸、柳锁虹桥,又或是横渡海峡、跨越大江的钢索大桥,都凝聚着劳动人民的智慧和力量。

我国“四大古桥”中蕴藏着古人的哪些智慧?现代桥梁的建造中又有哪些科技的加持?本期让我们一起走近联通世界的天堑——桥。

古桥设计的“巧”

我國不少古代桥梁中巧妙的建筑艺术,都是世界桥梁史上的创举。赵州桥、卢沟桥、洛阳桥、广济桥被称为中国“四大古桥”,它们充分展示了我国古代劳动人民的非凡智慧。

赵州桥

赵州桥坐落于河北省赵县城南洨河之上,距今已有1400余年的历史,是世界上现存年代最久远、跨度最大、保存最完整的单孔坦弧敞肩石拱桥。

选址巧妙:赵州桥避开了纵横交错的活动断层,能有效减轻地震带来的伤害。其次,桥梁地基以密实粉质黏土为主,有效提升了桥体的承重能力,确保了桥梁的稳定性。

工艺科学:赵州桥首次应用敞肩圆弧拱式桥型设计,在主拱和桥面之间的两侧桥肩处分别设置了两两对称的四个小拱,做成“空撞券”。四个小拱拱石外围运用材料力学的弹性拱原理,将受力点的力分散到桥的每一个横截面,不仅有效减轻了桥身自重、分散了桥身对桥台地基的垂直压力,还消除了拱轴线截面的拉应力,使赵州桥更加稳固。

卢沟桥

卢沟桥距今已有830年的历史,是迄今中国华北地区保存最完整的十一孔联拱石桥。卢沟桥不仅被誉为“燕京八景”之一、马可波罗笔下的“巨丽的石桥”,还是一座科学之桥。

“铁柱穿石”的工艺:数根粗大的铁柱打入河底的卵石层,上面穿入巨石连成一体,周围用巨大石板围住防止水流冲击,石板与石板之间互相勾连,非常坚固。对卢沟桥桥体的科学检测“体检报告”显示,10个桥墩中沉陷幅度最大的仍未超过12厘米。

“内藏乾坤”的桥墩:卢沟桥的桥墩呈船型,迎水面砌作分水尖,每个分水尖都有一根三棱形铁柱,用以迎击洪水以及初春冰雪消融时大量泥沙冰凌的冲击,使桥孔不易被堵塞,承载能力更强大。

此外,桥面科学地设置了坡度,坡势平缓不积水,开阔宜通行,还能减少自然的侵蚀。

洛阳桥

洛阳桥亦称万安桥,位于福建省泉州城东北方向约10千米的洛阳江入海口处。洛阳桥是中国第一座跨海梁式大石桥,也是世界上现存最长的石梁桥。它首创了“筏形基础”“种蛎固基”和“浮运架梁”等先进的建桥技术,被茅以升称为“中国古代桥梁的状元”。

“筏形基础”:往江底沿着桥梁中线抛填大石块,形成一条横跨江底的矮石堤作为桥墩基础。

“种蛎固基”:通过在基石上养殖牡蛎,巧妙地利用牡蛎外壳附着力强、繁生速度快的特点,把桥基和桥墩牢固地胶结成一个整体。这在世界上是绝无仅有的。

“浮运架梁”:利用潮水涨落来架设重达七八吨的石梁,以达到“激浪以涨舟,悬机以弦牵”。

洛阳桥面大多由长石条铺就而成,有的石条单条质量约20吨。在当年架桥技术极其有限的条件下,对所需的石材进行开采到架设,都是劳动人民无穷智慧的体现。

广济桥

广济桥俗称湘子桥,位于广东省潮州古城东门外,横跨韩江,连接东西两岸,为古代闽粤的交通要津。广济桥集梁桥、浮桥、拱桥于一体,不仅是“潮州八景”之一,也是中国桥梁史上的一个孤例。

桥墩之大:广济桥采用的桥墩之大,堪称我国古代之最。它采用韩山大青麻条石,石条虽大小不一,但叠合十分有规律,石条与石条间为卯榫结构。桥墩在造型上分为六边形船型墩和五边形半船型墩两种。设计者还将上游所有桥墩筑造为尖型,有效分解径流冲击力。

石梁之重:广济桥每跨均架设4条巨型石梁,最大长约15米、宽1米、厚1.2米,质量约50吨。在机械设备尚未问世的古代,巨型石梁的使用充分显示了古代劳动人民的智慧及高超的建筑工艺。

桥亭之美:广济桥形式各样的楼台亭阁为一大奇观。除了为往来的行人提供遮护,还增加了桥身的自重,加强了桥身的稳定性,提高了桥身抗风御潮的能力。

浮桥之智:浮桥由18条木船横向并排连接而成,两端用铁链固定在梁桥的矶头墩,随水位涨落而高低变化。矶头墩各有一段石阶梯供行人上下浮桥。浮桥可启可闭,闭合可连接两边梁桥,开启后有供大型船舶通行、快速排洪的功能。

现代桥梁里的“智”

曾经沧海千层浪,敢架江河万里桥。从斜拉到悬索,从跨江到跨海,一座座大桥勾勒出中国发展的足迹,中国“桥梁家族”以令人惊叹的速度和品质迈向世界前列。下面让我们一起找寻我国现代桥梁中的“智”。

桥梁界的“珠穆朗玛峰”——港珠澳大桥

被誉为桥梁界的“珠穆朗玛峰”和“现代世界七大奇迹”之一的港珠澳大桥,不仅是中国桥梁先进水平的代表,更是中国创新能力的体现。大桥全长55千米,主体工程集“桥—岛—隧”于一体,对所有构件实现工厂整件制造后运至海上,像“搭积木”一样拼装在一起,实现了精密制造、精密安装。

作为世界上最大的钢结构桥梁,港珠澳大桥仅主梁钢板用量就达42万吨,相当于10座鸟巢或60座埃菲尔铁塔的质量。由33节沉管对接而成的最长海底沉管隧道,每1节质量达8万吨,相当于一艘航空母舰的质量。

在工程建设上,港珠澳大桥采用了世界首创的深插式钢圆筒快速成岛技术,其深水无人对接的公路沉管隧道同样堪称世界最大难度,沉管在海平面以下13~48米不等的海底实现无人对接,且对接误差需控制在2厘米以内。

港珠澳大桥采用世界最大尺寸高阻尼橡胶隔震支座,支座能承载约3000吨的重物,能抵抗16级台风、8级地震及30万吨级巨轮撞击,预计使用年限达120 年。

世界最长高铁桥——丹昆特大桥

丹昆特大桥位于京沪高铁江苏段,起自丹阳,途经常州、无锡、苏州,终到昆山。全长164.851千米,是目前吉尼斯世界纪录记载的世界第一长桥——美国庞恰特雷恩湖桥的四倍多。

苏南地区属于平原河网化地貌,河道众多,为避免造成巨大的资源损耗,桥梁设计师决定把桥延伸到陆地,实现“以桥代路”。作为世界第一长桥,丹昆特大桥纵贯苏南平原河网化地貌,跨公路、铁路、水路,以现代化高铁桥梁的傲然姿态,跨越苏南大地,穿越5座城市仅需40分钟。

世界最高大桥——北盘江大桥

屹立于北盘江大峡谷之巅,连接云贵两省的北盘江大桥全长1341.4米,主跨720米,桥面到谷底垂直高度约565.4米,相当于一栋200层的高楼,是世界最高的大桥。

北盘江大桥全桥共设224根斜拉索,藏在这些白色护套里的钢筋直径仅有15.2毫米,但它抗拉强度较普通建筑用钢强度增长了4~8倍。建设团队还采用了最先进的防腐技术,创新使用了主梁纵移悬拼技术、顶推施工,全面应用了主梁板桁结合技术、500E高性能抗震钢筋,让大桥稳稳矗立在山石之巅。

世界最长跨海公铁大桥——平潭海峡公铁大桥

平潭海峡公铁大桥全长16.34千米,是福州至平潭铁路和长乐至平潭高速公路。大桥采用合建方式,是共同跨越海坛海峡北口的公铁两用桥梁,是世界最长也是我国第一座公铁两用跨海大桥。

桥梁建设者们克服风大、浪高、岩硬等恶劣自然环境,打破“建桥禁区”的“魔咒”,创造了埋植式钢混组合海上平台、双孔连做节段拼装造桥机、“大桥海鸥号”等一系列令人瞩目的成果,填补了我国斜拉桥大节段钢桁梁整孔吊装架设的技术空白。

从60多年前尽全国之力建起的“万里长江第一桥”到如今的江河湖海乃至深山峡谷,一座座“中国桥”拔地而起,不断刷新中国和世界的纪录,成为一张张向世界展现中国建设的亮丽“新名片”。

逢山开路、遇水架桥,桥梁不仅仅能让天堑变通途,更作为一种精神,成为友谊与共赢的代名词,体现中国工匠精神、展示中国形象、联通中外友谊的国家品牌。

(栏目编辑  方郁芝)

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