最美桥梁---金门大桥.pdf

金门大桥徐旭锋 201301010708 1 引言金门大桥是世界著名的桥梁之一，也是近代桥梁工程的一项奇迹在 199 年英国《桥梁设计与工程》杂志评选20 世纪世界最美桥梁活动中列第二名最早知道金门大桥应该是在在初中的时候，nba有一支球队是金州勇士， 而它的球队标志就是一座桥， 看着很美很壮观而后每次看到这座桥， 就会不自觉的去更多的了解它在悬索桥发展的历史长河中， 金门大桥扮演着领头羊的角色，首次突破了 4 千英尺的技术界限，并开创了众多的第一次，是后来者的标杆2 工程背景和概况金门大桥雄峙于美国加利福尼亚州旧金山长1900 多米的金门海峡之上，历时 4 年，利用 10万多吨钢材，耗资达3550 万美元建成，由桥梁工程师约瑟夫·施特劳斯（Joseph .Struss, 1870—1938年）设计1579 年英国探险家 FrancisDrake 发现了连结太平洋和旧金山的一个海峡，这就是后来的金门尽管这个名字在1849 年的淘金潮以前早就使用，但淘金潮使得金门（进入北California的入口）成了加利福尼亚神秘魅力不可缺少的一部分早在1872 年就讨论过要在金门海峡修建一座大桥的想法，但是直到1937 年才在海峡上修了一座悬索桥。

金门大桥横跨南北，将旧金山市与Marin 县连结起来花费四年多时间修建的这座桥是世界上最漂亮的结构之一它已不是世界上最长的悬索桥，但它却是最著名的金门大桥的巨大桥塔高227米，每根钢索重 6412 公吨，由 27000根钢丝绞成 1933年 1 月始建，1937 年 4 月完工， 1937年 5 月首次建成通车金门大桥的最初的构想来源于桥梁工程师约瑟夫·斯特劳斯斯特劳斯在此前设计了400多座内陆的小型桥梁他花了10 多年时间游说北加州的居民 这座桥的其他主要设计者包括决定其艺术造型和颜色的艾尔文·莫罗、 合作进行复杂的数学推算的工程师查尔斯·埃里斯、桥梁设计师里昂·莫伊塞弗金门大桥的北端连接北加利福尼亚，南端连接旧金山半岛 当船只驶进旧金山， 从甲板上举目远望， 首先映入眼帘的就是大桥的巨形钢塔钢塔耸立在大桥南北两侧，高342 米，其中高出水面部分为227米， 相当于一座 70 层高的建筑物塔的顶端用两根直径各为92.7厘米、重 2.45 万吨的钢缆相连，钢缆中点下垂，几乎接近桥身，钢缆和桥身之间用一根根细钢绳连接起来钢缆两端伸延到岸上锚定于岩石中大桥桥体凭借桥两侧两根钢缆所产生的巨大拉力高悬在半空之中。

钢塔之间的大桥跨度达1280 米，为世界所建大桥中罕见的单孔长跨距大吊桥之一 从海面到桥中心部的高度约60 米，又宽又高，所以即使涨潮时，大型船只也能畅通无阻包括从钢塔两端延伸出去的部分，全长达2737 米，为此，又分别在两侧修建了两座辅助钢塔， 使桥形更加壮观 大桥的桥面宽 27.4米，有 6 条车行道和两条宽敞的人行道大桥的设计者是工程师约瑟夫·斯特劳斯， 人们为纪念他对美国作出的贡献，把他的全身铜像安放在桥畔铜像形象生动，神情自若3 结构特点相对于其它桥梁结构悬索桥可以使用比较少的物质来跨越比较长的距离悬索桥可以造得比较高，容许船在下面通过，在造桥时没有必要在桥中心建立暂时的桥墩， 因此悬索桥可以在比较深的或比较急的水流上建造悬索桥比较灵活， 因此它适合大风和地震区的需要，比较稳定的桥在这些地区必须更加坚固和沉重悬索桥的坚固性不强， 在大风情况下交通必须暂时被中断 悬索桥不宜作为重型铁路桥梁悬索桥的塔架对地面施加非常大的力， 因此假如地面本身比较软的话，塔架的地基必须非常大和相当昂贵金门大桥采用自锚式结构体系， 和地锚式相比可以不考虑地质条件的影响，而且由于免去了巨大的锚锭， 降低了工程造价。

采用自锚，将主缆锚固于加劲梁之上， 相比同等跨径的其他桥型， 更有其特有的曲线线形，外观优雅，而且现代桥梁除了满足自身的结构要求外，也越来越注重景观设计，其发展前途很大自锚式悬索桥采用混凝土加劲梁，虽然增加了体系的自重， 但也增加了体系的刚度，在一定的跨度允许范围内， 使桥梁的安全性指标、适用性指标、经济性指标、 美观性指标得到了完美的统一对结构受力而言，由于采用了自锚体系，将索锚固于主梁上，利用主梁来抵抗水平轴力，对于混凝土这种抗压性能好的材料来说无疑是相当于提供了因此采用的是普通钢筋混凝土结构，节省了大量的预应力器具， 而且又由于混凝土材料相对于钢材料的经济性，工程造价大大减少但是由于混凝土的抗拉、弯的性能较差，所以对其进行受力分析时应综合考虑这个特点由于自锚式悬索桥的主缆拉力是传递给桥梁本身，而不是锚锭体，主缆拉力的水平分力在桥梁的上部结构中产生压力，如果两端不受约束的话， 其垂直分力将使桥梁的两端产生上拔力例如金石滩悬索桥桥采用了两种办法来抵抗这种上拔力：一是在锚块处设置拉压支座；二是在主桥和引桥的交接处设置牛腿，从而将引桥的重量压在主梁上4 受力特点悬索桥的上部结构包括：主梁、主缆、吊杆、主塔四部分。

传力路径为：桥面重量、车辆荷载等竖向荷载通过吊杆传至主缆承受，主缆承受拉力，而主缆锚固在梁端，将水平力传递给主梁由于悬索桥水平力的大小与主缆的矢跨比有关，所以可以通过矢跨比的调整来调节主梁内水平力的大小，一般来讲，跨度较大时，可以适当增加其矢跨比，以减小主梁内的压力，跨度较小时，可以适当减小其矢跨比，使混凝土主梁内的预压力适当提高由于主缆在塔顶锚固， 为了尽量减少主塔承受的水平力， 必须保证边跨主缆内的水平力与中跨主缆产生的水平力基本相等， 这可以通过合理的跨径比来调节，也可以通过改变主缆的线形来调节 另外， 自锚式悬索桥中的恒载由主缆来承受，而活载还需要由主梁来承受5 施工方法1919 年，奥肖内西请求美国海岸和大地测量部门勘探金门海峡底部的岩石情况， 1920 年 5 月调查完成奥肖内西将调查结果分别寄给三位著名的工程师问询建桥的可能性及方案1921 年 6 月 28 日，施特劳斯完成并提交了设计方案——混合悬臂吊桥的结构，即利用悬臂原理，将两端宽大的悬臂结构与中部的悬索结构相连接在他看来，“纯粹的悬臂结构将导致桥梁的自身重量过大，而纯粹的大跨度悬索结构将导致桥梁缺少必要的刚性， 并且存在可行性低及费用较高的问题，两者的有效混合不仅能很好地取长避短，而且费用不高”。

由于斯特劳斯缺乏设计建造大跨径桥梁的经验，为确保桥梁方案的稳妥性，他在提交方案之前， 特意征询了他的同事——来自伊利诺斯州和纽约的三名工程师的意见，桥梁结构的合理性得到肯定悬索桥的施工顺序主要是锚碇、桥墩、桥塔的建造，主缆的纺织与架设及桥面的铺设及浇筑等由于悬索桥的建造在美国已经有40余年的历史，使其在工艺上有一定的模式可循但是，金门海峡独特的地形条件使其有别于以往悬索桥的施工过程，特别体现在南部桥墩的建造中由于金门大桥位于海湾入口处，潮水的冲击力比较大，除此之外，桥梁史上尚没有在海湾入海口建造桥梁的经验苛刻的自然条件及缺乏海湾入海口的施工经验，增大了施工的难度及风险由于南部桥墩的位置距离南部海岸较远，在建造围堰结构前， 需建造一个 400m左右长的钢铁栈桥支架，从海岸伸出延续到南部桥墩的选址处计划最初进行的很顺利但是，1933 年 8 月，在栈桥结构即将竣工时，浓雾中驶来的船只撞毁了91 m 长的钢铁栈桥支架，桥墩也在此次猛烈的撞击中出现问题1933 年 10 月 31 日，当晚突如其来的风暴又将剩余244 m长的支架刮散，最终，南部栈桥结构在暴风中瓦解 鉴于有限的时间与材料， 工程师团队不得不重新调整施工的技术和方法。

开凿洞穴以树立栈桥结构的通常做法是在岩石上钻出小洞，然后往里填充炸药，使其岩石松动然而由于在开放水域，普通的开凿方法不能被采用， 而且海底岩层是蛇纹石， 锰材质的挖掘机不能撼动海底岩层进行挖掘工作 为选择合适的工艺来树立栈桥支架，施工团队绞尽脑汁，最终选择铁管爆破工艺， 即通过往钢管里填充炸药并使其垂直沉入海底相应位置，进行爆破栈桥最初采用钢铁支架结构，但是这种结构在风暴中被刮散， 此时再去重新铸造、 组装钢铁结构将会严重影响工程的进度工程组决定新栈桥的结构不再采用钢铁结构，而是用圆滚滚的木桩结构取而代之选择木桩结构不仅在于其能快速准备就位，而且它在面对汹涌潮水冲击的时候， 圆滚滚的结构比“ I ”结构受到的冲击更小 为了方便行走，栈桥的高度为高于水面5 英尺该结构于 1934年 3 月 8 日竣工木栈桥支架完成后，按照原计划，应采用沉箱法以建造深度为65 英尺的围堰结构，进而建造南部桥墩但是钢铁栈桥结构被海潮刮散的事故使斯特劳斯等工程师进一步领教了该水域强大的海潮破坏力为了增加在建桥墩的稳固性，斯特劳斯决定变更围堰的深度，将其 65 英尺加深为 100 英尺后来，决定放弃沉箱法，选择直接用混凝土浇筑围堰， 即用混凝土围堰挡水， 待围堰内水抽干后浇筑基础混凝土，再做混凝土墩台。

1934 年 3 月 22 日，高矽土材质的水泥倾注其中，并嵌入南部桥塔结构，南部桥墩于1935 年末完成最终，由于施工阶段的种种磨难，南部桥墩的建造超过了预计的工程进度，但是迫于工期压力所做的施工工艺创新，使其成功克服了技术壁垒5 创新点首先，公众参与工程的必要性 公众参与可能会在一定程度上延迟工程的动工时间，甚至产生一系列不必要的麻烦但是，对于能给城市经济带来发展甚至需要公众筹资并以财产作为抵押的大型工程而言，公众对其关注度越高，参与选址、结构、资金来源等问题的讨论越激烈，都会预见性地解决问题工程具有当时当地性， 但是仍有经验可循 当时当地性决定了每个工程都是独一无二的， 金门大桥的成功恰恰在于注重方案的稳妥性和集成性创新， 譬如在新理论的成功运用后， 勇于对新理论借鉴性学习，并从已成功的悬索桥中寻求经验，从而博览众长此外，在主跨问题的选择上，金门大桥的工程师们并没有太过追求悬索桥的更长跨度，而是具体问题具体分析，以求方案选择的稳妥性。