2022年全國(guó)科普日期間，上海市公路學(xué)會(huì)聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院通過(guò)廣泛搜集、精心策劃，站在公眾的視角去思考和探究交通問(wèn)題，并邀請(qǐng)行業(yè)內(nèi)專(zhuān)家、學(xué)者進(jìn)行專(zhuān)業(yè)科普，化繁為簡(jiǎn)、輕松趣味，科普入心，形成了“大咖揭秘”系列專(zhuān)題。系列推送經(jīng)多個(gè)公眾號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)，累計(jì)閱讀量逾十萬(wàn)，在社會(huì)公眾，尤其是青少年群體中產(chǎn)生了廣泛影響，形成了獨(dú)具特色的科普品牌。
2023年科技節(jié)期間，上海市公路學(xué)會(huì)乘勢(shì)而上，緊密?chē)@著“低碳”等熱點(diǎn)問(wèn)題，打造“大咖揭秘第二季”。
本期是大咖揭秘第二季總第六期，主題為《橋梁為什么會(huì)生病》，有請(qǐng)大咖！
王水龍，正高級(jí)工程師，現(xiàn)任上海同豐工程咨詢(xún)有限公司副總裁，兼任上海市浦東新區(qū)公路學(xué)會(huì)橋梁專(zhuān)業(yè)委員會(huì)主任。致力于橋梁相關(guān)新產(chǎn)品、新技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)。主持了十多項(xiàng)研發(fā)項(xiàng)目并成功將新技術(shù)應(yīng)用于橋梁檢測(cè)，開(kāi)發(fā)出拉索橋梁特護(hù)成套技術(shù)；將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和橋梁檢測(cè)技術(shù)結(jié)合，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研究橋梁在線健康監(jiān)測(cè)，研發(fā)了橋梁管理系統(tǒng)及道路橋梁動(dòng)態(tài)超載監(jiān)控系統(tǒng)。主要論著有《預(yù)應(yīng)力塑料波紋管道摩阻損失試驗(yàn)研究》、《大跨預(yù)應(yīng)力混凝土魚(yú)脊連續(xù)梁橋關(guān)鍵技術(shù)》、《橋梁病害》、《機(jī)械振動(dòng)橋梁動(dòng)態(tài)測(cè)試與檢測(cè)測(cè)量結(jié)果的評(píng)估》。其《特大跨新式預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋型關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與示范應(yīng)用》榮獲華夏建設(shè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，《大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土魚(yú)脊梁橋關(guān)鍵技術(shù)與示范應(yīng)用》獲得上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，《既有線提速鋼梁橋加固技術(shù)試驗(yàn)研究——鋼桁梁橋加固研究》與《智能型無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸橋梁振動(dòng)檢測(cè)分析系統(tǒng)研制》分別獲得中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)。
橋梁會(huì)生病嗎？
橋梁有壽命嗎？
為什么橋梁會(huì)垮塌？
為什么多數(shù)城市高架橋上限制貨車(chē)通行？
為什么車(chē)輛通過(guò)部分橋梁時(shí)，不允許變換車(chē)道？
車(chē)輛經(jīng)過(guò)橋梁時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，橋梁還安全嗎？
都知道兩點(diǎn)之間直線最短，而跨海大橋?yàn)槭裁赐O(shè)計(jì)成曲線？
答：橋梁是現(xiàn)代交通建設(shè)中不可或缺的重要組成部分，它們?cè)谶B接道路、跨越水域、山谷和障礙物、縮短行程等方面發(fā)揮著重要的作用。
但是，由于自然災(zāi)害以及一些不合理的使用等因素的影響，導(dǎo)致個(gè)別橋梁垮塌，橋梁垮塌的原因可分為如下幾個(gè)方面：
1）天氣和自然災(zāi)害
天氣和自然災(zāi)害包括地震、風(fēng)暴、洪水、滑坡等，這些災(zāi)害都可能對(duì)橋梁造成破壞甚至垮塌。
地震是最常見(jiàn)的自然災(zāi)害之一，它可以使橋梁產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和變形，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致其垮塌。例如，2008年的汶川大地震使地處漩口鎮(zhèn)和映秀鎮(zhèn)交界處的百花大橋第5聯(lián)整體垮塌，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。
風(fēng)暴也是引起橋梁垮塌的常見(jiàn)原因之一。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定程度時(shí)，強(qiáng)風(fēng)會(huì)對(duì)橋梁造成沖擊和振動(dòng)，從而可能導(dǎo)致其垮塌。例如，1940年，美國(guó)西海岸的塔科馬海峽大橋建成僅四個(gè)月后，在八級(jí)大風(fēng)的吹動(dòng)下，發(fā)生了劇烈振動(dòng),幾個(gè)小時(shí)后，大橋發(fā)生了結(jié)構(gòu)性垮塌。該事件在世界工程界引起巨大震動(dòng)，由此催生了橋梁抗風(fēng)這一新的學(xué)科，極大推動(dòng)了橋梁工程技術(shù)的進(jìn)步。
洪水亦可能使橋梁淹沒(méi)、侵蝕和削弱，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致其垮塌。例如，2019年6月14日，廣東省河源市區(qū)東江大橋當(dāng)日凌晨2時(shí)12分因遭遇上游楓樹(shù)壩水庫(kù)連日泄洪的洪水沖擊而垮塌，事故造成了嚴(yán)重的交通癱瘓和財(cái)產(chǎn)損失。
滑坡是另一種可能導(dǎo)致橋梁垮塌的自然災(zāi)害?；驴赡軐?dǎo)致橋墩移位、傾斜和支撐結(jié)構(gòu)的破壞，從而使橋梁失去支撐而垮塌。例如，2019年9月15日,甘肅省定西市通渭縣常河鎮(zhèn)小莊村馬家陽(yáng)山發(fā)生特大山體滑坡事故,造成當(dāng)?shù)氐年?yáng)坡橋垮塌。
2）車(chē)輛超載和撞擊
過(guò)重的車(chē)輛和外力碰撞均可能會(huì)導(dǎo)致橋梁垮塌。
橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到道路交通量、車(chē)輛類(lèi)型、風(fēng)速、水流等因素，以確保橋梁的安全運(yùn)行。然而，如果橋梁在使用過(guò)程中超過(guò)了其設(shè)計(jì)承載能力，就會(huì)發(fā)生超負(fù)荷運(yùn)行的情況，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)損壞甚至失穩(wěn)，最終垮塌。資料顯示，車(chē)輛的超載是造成橋梁結(jié)構(gòu)使用性能下降及破壞的主要原因，超載運(yùn)行可以是由于交通流量過(guò)大、大型車(chē)輛的使用、裝載貨物過(guò)重等原因造成的，而當(dāng)橋上通行荷載超過(guò)了橋梁的設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)，就會(huì)導(dǎo)致橋梁開(kāi)裂、橋墩變形等病害，嚴(yán)重的會(huì)引起橋梁結(jié)構(gòu)災(zāi)難性的破壞。根據(jù)交通管理部門(mén)對(duì)高速公路以及國(guó)、省道主干線的調(diào)查資料顯示，橋梁行車(chē)道的損傷要遠(yuǎn)比超車(chē)道嚴(yán)重，車(chē)流量大的方向要比車(chē)流量小的方向損傷嚴(yán)重，行車(chē)速度快的路段上的橋梁要比行車(chē)慢的橋梁損傷嚴(yán)重，這些都說(shuō)明了超載超限會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的危害。
此外，車(chē)輛或船舶碰撞作為一種常見(jiàn)的交通事故，也會(huì)危及橋梁安全。當(dāng)車(chē)輛或船舶撞擊橋梁時(shí)，它主要造成的影響有：（1）損壞橋梁結(jié)構(gòu),碰撞帶來(lái)直接沖擊力，可能造成橋梁結(jié)構(gòu)的破壞，如斷裂、扭曲、彎曲等；（2）改變橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)，碰撞可能改變橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，例如改變墩柱截面尺寸、傾斜度或垂直度，進(jìn)而影響橋梁的穩(wěn)定性和承重能力；（3）影響橋梁基礎(chǔ)，碰撞還可能影響橋梁的基礎(chǔ)，如造成橋墩的垮塌、地基移位等，導(dǎo)致橋梁整體結(jié)構(gòu)受到影響；（4）不可控的潛在風(fēng)險(xiǎn)，即使碰撞不會(huì)立即導(dǎo)致橋梁的垮塌，它也可能引發(fā)橋梁產(chǎn)生潛在危險(xiǎn)，如加劇橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞、裂紋等問(wèn)題，從而縮短橋梁的使用壽命。
3）腐蝕和老化
材料的腐蝕和老化也是導(dǎo)致橋梁垮塌的原因之一。橋梁建設(shè)所用的材料通常是混凝土、鋼鐵等，這些材料隨著時(shí)間的推移和環(huán)境的變化可能會(huì)發(fā)生腐蝕、老化等問(wèn)題，如果這些問(wèn)題沒(méi)有得到及時(shí)的維修和處理，就有可能會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)損壞和垮塌。因此，及時(shí)檢測(cè)和維護(hù)對(duì)于保障橋梁的安全和可靠性至關(guān)重要。
4、為什么多數(shù)城市高架橋上限制貨車(chē)通行？
答：高架橋作為建在地面以上，供車(chē)輛或行人通行的橋梁，通常規(guī)定不能通行貨車(chē)，這樣的規(guī)定是基于以下原因。
（1）載重限制：城市高架橋的設(shè)計(jì)載重等級(jí)通常低于國(guó)省干道和高速公路橋梁載重等級(jí)，如果過(guò)重的車(chē)輛在高架橋上通行，會(huì)給橋梁帶來(lái)巨大的壓力，可能導(dǎo)致橋梁的損壞或者垮塌。為了保證城市高架橋的安全運(yùn)行，一些城市高架橋通常禁止貨車(chē)通行。
（2）道路寬度限制：高架橋的寬度相對(duì)較窄，貨車(chē)通行時(shí)可能占用過(guò)多的車(chē)道寬度，易導(dǎo)致道路擁堵、交通事故等問(wèn)題的發(fā)生。為了保障城市高架道路通行的安全和暢通，故城市高架橋通常規(guī)定只允許輕型車(chē)輛和小型客車(chē)通行。
（3）安全隱患：貨車(chē)的車(chē)高和車(chē)寬相對(duì)較大，如果貨車(chē)在高架橋上通行時(shí)不慎碰撞到其他車(chē)輛或者橋梁結(jié)構(gòu)物，可能會(huì)引發(fā)交通事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。為了減少這種安全隱患，城市高架橋通常規(guī)定貨車(chē)不能通行。
（4）對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)不可忽視的沖擊作用：貨車(chē)的重量和體積比較大，在高架橋上行駛時(shí)，經(jīng)過(guò)橋梁連接處、橋墩、橋面等結(jié)構(gòu)部位，貨車(chē)相對(duì)于中小型車(chē)輛，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)造成更大振動(dòng)和沖擊，這將引起橋面損壞和結(jié)構(gòu)損傷，甚至是橋梁的垮塌，故城市高架橋一般不允許貨車(chē)通行。
5、為什么車(chē)輛通過(guò)部分橋梁時(shí)，不允許變換車(chē)道？
答：在道路行駛過(guò)程中，我們時(shí)常能看到“橋上不允許變道”的警示牌，這也是常見(jiàn)的交通規(guī)則之一。那么，為什么橋上不允許變道呢？
首先，橋上不允許變道主要是因?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)的特殊性。橋梁通常由梁體、支座、墩柱等部分組成，直接承載的是梁體而不是路面，為避免受車(chē)輛因碰撞、起火甚至爆炸等事故對(duì)橋梁的破壞性影響，要求車(chē)輛在橋上行駛時(shí)需要盡量保持穩(wěn)定，不能隨意變道。
其次，相對(duì)于道路上其他路段，有時(shí)橋面車(chē)道寬度較窄，在橋上行駛時(shí)，如果隨意變道，車(chē)輛之間相互干擾較多，容易引發(fā)交通事故，所以橋面不允許變道主要還是為了減少車(chē)輛事故對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響。
答：當(dāng)車(chē)輛行駛在橋梁上時(shí)，它們會(huì)對(duì)橋梁產(chǎn)生一定的振動(dòng)，這是正?，F(xiàn)象。
橋梁振動(dòng)的主要原因是車(chē)輛通過(guò)橋梁時(shí)，車(chē)輪與橋面之間產(chǎn)生的激振效應(yīng)。當(dāng)車(chē)輛通過(guò)橋梁時(shí)，車(chē)輪在橋梁表面產(chǎn)生的震蕩波會(huì)向下傳遞，同時(shí)也會(huì)向上反彈，形成一種向上的沖擊力，這種力會(huì)使橋梁產(chǎn)生振動(dòng)。車(chē)輛的質(zhì)量、車(chē)速、輪胎的氣壓、輪距以及車(chē)輛的懸掛系統(tǒng)等因素都會(huì)影響振動(dòng)的強(qiáng)度和頻率。
其次，橋梁自身的結(jié)構(gòu)問(wèn)題也可能導(dǎo)致橋梁振動(dòng)。橋梁的設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)都需要經(jīng)過(guò)精細(xì)的計(jì)算和規(guī)劃，如果存在結(jié)構(gòu)缺陷或者損傷，也會(huì)導(dǎo)致橋梁振動(dòng)。特別是對(duì)于老舊的橋梁來(lái)說(shuō)，由于使用時(shí)間久遠(yuǎn)和外力的作用，橋梁的材料會(huì)發(fā)生疲勞、腐蝕等問(wèn)題，如果不能及時(shí)修繕，也會(huì)加劇振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。
最后，路面因素也會(huì)對(duì)橋梁過(guò)車(chē)振動(dòng)產(chǎn)生一定的影響。路面的不平整程度和結(jié)構(gòu)松散程度都會(huì)對(duì)車(chē)輛通過(guò)時(shí)的振動(dòng)產(chǎn)生影響。例如，當(dāng)路面存在凸起或坑洼時(shí)，車(chē)輛行駛時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊，這會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)的幅度增大。
在正常情況下，車(chē)輛通過(guò)橋梁時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)不會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全，橋梁的設(shè)計(jì)和施工過(guò)程都考慮到了車(chē)輛通過(guò)時(shí)的振動(dòng)因素，并采取了相應(yīng)的措施來(lái)確保橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。例如，橋梁通常會(huì)設(shè)置緩沖帶或減震裝置來(lái)吸收車(chē)輛振動(dòng)的能量，以減少對(duì)橋梁本身的影響。當(dāng)然，如果車(chē)輛超載、荷載不合理分布或者橋梁自身存在結(jié)構(gòu)性損傷，橋梁在上述原因共同作用下就會(huì)存在產(chǎn)生過(guò)度振動(dòng)和損壞的風(fēng)險(xiǎn)。
7、都知道兩點(diǎn)之間直線最短，而跨海大橋?yàn)槭裁赐O(shè)計(jì)成曲線？
答：雖然兩點(diǎn)之間的直線最短，但是在橋梁設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師往往會(huì)將跨海長(zhǎng)大橋設(shè)計(jì)成曲線橋，這是因?yàn)榭绾４髽蛐枰紤]到多方面的因素，而曲線設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足這些需求。
（1）通航凈空要求。跨海大橋通常要考慮下方航道的通行要求，為了滿(mǎn)足船舶的通過(guò)和航行安全，橋梁通常在主航道抬高，橋梁縱斷面呈曲線，以滿(mǎn)足航道通航凈高要求。
（2）現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件限制：在建造跨海大橋時(shí)，需要考慮到海洋環(huán)境、地形地貌和地質(zhì)條件等因素。如果橋梁設(shè)計(jì)成直線，有可能需要在建設(shè)過(guò)程中大量填海造陸或者挖掘，這不僅會(huì)浪費(fèi)大量資源，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。而采用曲線設(shè)計(jì)可以在一定程度上降低施工難度和破壞周邊環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也可以更好地適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件。
（3）滿(mǎn)足抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求：由于跨海大橋常常位于開(kāi)闊的海面上，風(fēng)力較大，橋梁結(jié)構(gòu)在大風(fēng)天氣下更容易受到側(cè)風(fēng)的影響，因此抗風(fēng)是跨海大橋設(shè)計(jì)中的重要考慮因素之一。而曲線設(shè)計(jì)可以減少橋面上的橫向風(fēng)壓，使得橋面上的橫向風(fēng)力得到更好的分散和減緩，減少風(fēng)對(duì)橋梁的影響。
（4）海水流向的考慮：我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）第3.2.3條要求：橋梁縱軸線宜與洪水主流流向正交。對(duì)通航河流上的橋梁，其墩臺(tái)沿水流方向的軸線應(yīng)與最高通航水位時(shí)的主流方向一致。這個(gè)要求的目的是要讓墩臺(tái)的走向盡量順著水流的方向，避免墩臺(tái)常年受水流以及水流中夾帶的雜物、浮冰等物體的不停沖擊，也避免船舶在通過(guò)墩臺(tái)之間的航道時(shí)被突然的水流沖到墩臺(tái)上造成事故。跨海大橋跨越的范圍很大，經(jīng)過(guò)的區(qū)域水流流向不盡相同，因此要在不同的區(qū)域采用不同的軸線走向，不同的區(qū)域與區(qū)域之間采用平滑的曲線連接起來(lái)，這也造成了跨海大橋彎曲的平面走向。
（5）橋梁美學(xué)：跨海大橋的設(shè)計(jì)固然是為了承載交通，同時(shí)還要考慮它的美觀度。曲線設(shè)計(jì)可以增加跨海大橋的美觀性。通過(guò)賦予橋梁曲線形狀，可以使其與周?chē)淖匀画h(huán)境相融合，營(yíng)造出更加優(yōu)雅和流暢的視覺(jué)效果。這樣的設(shè)計(jì)也有助于增加人們對(duì)橋梁的興趣和認(rèn)同感。