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桥桥桥桥桥桥桥桥桥

一群国家地理控,专注于探索极致世界

中国跨度

文 | 桢公子

谨以此文

向中国所有桥梁工作者致敬

一张中国地形图置于眼前

鲜明的海拔差异跃然纸上

从西部高耸的高原山地

到东部广袤的丘陵平原

科学家们将其划分为“三级阶梯”

▼中国地形的三级阶梯,制图@张靖/星球研究所

发源自高原的河流

顺势逐级而下

在上游“劈开”山体

形成崖壁陡峭的嶂谷

▼马岭河峡谷,摄影师@笑飞雪

或是经过长期侵蚀

形成更为宽阔的峡谷

▼澜沧江大峡谷,摄影师@李珩

到了下游

河流在平原上肆意冲刷

宽广的河道将陆地彻底分隔

▼杭州三江口,从左至右依次是浦阳江、富春江和钱塘江,摄影师@潘劲草(请横屏食用)

而在海岸线

群岛破碎、海湾广阔

▼浙江舟山衢山岛,摄影师@王会超

太多的天堑

阻挡着人们的交通、交流

甚至出路

▼被高山围困的村庄,摄影师@李一鸣

人们究竟该如何

才能跨越这一切?

I

架梁为桥

当先民创造独木桥时

最早的桥便出现了

两墩架一梁

成为了人类桥梁史上最简洁、最经典的造型

是为“梁桥”

▼敲黑板:梁桥和跨度,制图@张靖/星球研究所

在木石架桥的时代

梁桥在我国粤闽地区盛极一时

这里盛产坚硬的花岗岩

是打造石梁桥的绝佳材料

▼福建泉州洛阳桥,我国现存最早的跨海石梁桥,建于北宋;其用养殖牡蛎固定基座的方法可称创举,摄影师@雾雨川

随着现代炼钢法的成熟

崭新的桥梁时代来临

1874年的美国

世界第一座以钢为主体的桥梁落成

而中国首座具有近代水平的钢桥问世

则是10多年以后的事儿了

然而对于当时的中国而言

钢桥是如此先进、如此昂贵

基本只能用于铁路建设

设计、建造、资金也只能依靠西方国家

直到1937年

杭州钱塘江大桥落成

我国才有了自行设计建造的第一座公铁两用桥

只是大桥通车后不到3个月

日本便攻陷上海

为了阻止敌军经此渡江

设计大桥的茅以升先生

不得不亲手将其炸毁

大桥从此沉入江中

直到16年后才重新与世人见面

▼于1953年恢复通车的钱塘江大桥,摄影师@朱露翔

这座大桥最大单跨约66米

相邻两墩上各架一横梁

称为简支梁桥

而若要进一步提高跨度

这种桥必将面临一场进化

于是连续梁桥诞生了

这是一种“多墩架一梁”的桥

由于梁体连续不间断

前后的弯曲可以互相约束

想被“折断”就没有这么容易了

制图@张靖/星球研究所

我国最早跨越长江的桥梁

武汉、重庆白沙沱和南京长江大桥

均以连续梁结构建设

其中的南京长江大桥

最大单跨达160米

由我国完全独立设计建造

正所谓“一桥飞架南北,天堑变通途”

▼1968年,南京长江大桥落成,是长江上第一座由我国自行设计建造的桥梁,摄影师@艾小龙

而除了钢桥的突破

另一种新技术在我国逐渐普及

它的原理十分巧妙

在混凝土中置入预先被拉伸的钢筋

钢筋如同被拉开的弹簧

自带强烈的“收缩欲望”

若利用这种“内力”去平衡外力

梁体便能承受比原先更大的荷载

从而支持更大的跨度

这就是预应力混凝土技术

制图@张靖/星球研究所

相比昂贵的钢铁

钢筋混凝土显然要便宜多了

于是在预应力技术的加持下

大量公路桥梁如雨后春笋

纷纷登上历史舞台

▼钢筋混凝土桥梁在公路中十分常见,下图为连霍高速宝鸡-天水段,摄影师@石耀臣

时至今日

梁桥的应用依然十分广泛

甚至已形成标准组件

可以工厂制造、现场组装

即便其单跨跨度有限

但前后彼此相连

亦可如同逶迤蜿蜒的巨龙

横贯江河

▼横跨青海沱沱河的两款梁桥,远处是青藏铁路长江源特大桥,由42跨组成,每跨32米;近处的是沱沱河公路桥。摄影师@姜曦

跨越海湾

▼山东青岛海湾大桥的一部分,中国首座“海上立交”,连续梁结构。摄影师@添小天

甚至彻底取代路面

▼金丽温高速,以桥代路的总里程超过70千米。摄影师@陈益科

II

似梁非梁

但是,不要“以貌取桥”哦

有一种极为低调的桥

从外表上看

会被绝大多数人认为是梁桥

但实际上却具有截然不同的力学特征

需要更复杂的设计和计算

这就是“刚构桥”

(没听过就对了,不然怎么叫低调)

▼敲黑板:刚构桥墩梁一体,无缝衔接。制图@张靖/星球研究所

由于桥墩和梁成为一个整体

它们终于可以“同甘共苦”

共同抵抗梁体的弯曲

制图@张靖/星球研究所

这就意味着

在桥墩的协助下

横梁变得更加“坚强”

可以承受更大的跨度

或是选择更轻薄的桥面

▼身形苗条的腊八斤沟特大桥在沟谷中穿行而过,其最高墩182.5米,在贵州赫章特大桥落成前曾是“亚洲第一高墩”。摄影师@姜曦

尤其是连续刚构桥

这种90年代才在国内推广的新桥型

兼顾跨度需求和行车体验

数年间便风靡大江南北

▼贵州省六广河大桥,连续刚构结构,主跨240米。摄影师@李琦

但美中不足的是

这种桥对热胀冷缩十分敏感

如果桥墩过于“倔强”

梁体则无法放飞自我

最终导致变形或弯曲

但这难不倒机智的工程师们

他们为刚构桥设计了更高的桥墩

让其变得“柔软灵活”

制图@张靖/星球研究所

特别在高山峡谷地带

这种高桥墩再合适不过了

于是众多高大巍峨的桥梁拔地而起

其桥墩从桥面直入谷底

通行其上仿佛腾云驾雾

▼湖北省境内沪渝高速,连绵的刚构桥穿越高山峡谷,直通远方的四渡河大桥。摄影师@文林

不过

世事福兮祸兮、是也非也

从来没有绝对的标准

在平原大江大河之上

高耸入云的桥墩已无用武之地

为了降低桥梁高度同时保证桥墩柔性

则需要为墩柱进行“瘦身”

▼浙江省温州瓯越大桥,主跨采用扁平的薄壁墩。摄影师@倪前辉

或是采用全新的桥墩形态

▼浙江省千岛湖大桥,是一座V型桥墩的斜腿刚构桥。摄影师@姚朝辉

然而

桥墩要薄、桥梁要稳、成本还要低

三者互相制约

让跨度超过300米的刚构桥屈指可数

尽管如此

2006年建成的重庆石板坡大桥复线桥

单跨已达到330米

为长江江面预留了充分的航行空间

一举成为世界上跨度最大的连续刚构桥

▼重庆石板坡大桥复线桥。摄影师@鬼迹(请横屏食用)

而它身旁

就是我国第一座跨越长江的公路大桥

重庆长江大桥(石板坡长江大桥)

尽管当年“全民建桥”的盛大场景已成往事

但新老两桥并驾齐驱

让人们透过近40年的岁月

还能看到些许时代变迁的痕迹

▼左侧为老桥,右侧为新桥。摄影师@重庆火锅823

III

长虹卧波

至此

从峡谷到平原

从江河到海峡

似乎都已被中国人跨越

但实际上还远远不够

面对陡峭的崖壁、湍急的水流

或是桥下交通的需要

竖直的桥墩已然无处安放

人们需要一种一跨而过的桥型

比如“拱桥”

▼一跨而过的金沙江特大桥,左侧是四川,右侧是云南,摄影师@柴峻峰

对于中国人来说

拱桥再熟悉不过了

被写进小学课本的赵州桥

建于1400余年前

纵然几度经历洪涝、地震

其主体结构却依然完好

堪称世界桥梁艺术的典范

▼赵州桥,跨度约37米,摄影师@石耀臣

而拱桥的形象更是深入人心

不仅是古镇园林里的标准印记

也成为诗词歌赋中的经典意象

▼引自杜牧《阿房宫赋》

长桥卧波,未云何龙;复道行空,不霁何虹。

时至今日

我国超过一半的公路桥梁都是拱桥

其中仍保留着最传统的石拱桥

▼山西祥云湖坝上的石拱桥。摄影师@寒冰

“拱”结构的张力

要求两端底座不仅要向上托起桥身

还必须提供横向的推力

也正是这样的推力

牢牢抵抗住“拱”的变形

从而提高了拱桥的跨越能力

▼敲黑板:拱桥的三种类型。制图@张靖/星球研究所(左右滑动观看)

这是拱桥独特的优势

也是拱桥面临的挑战

若遇上脆弱的岩石、松软的地基

两端支座便无法获得如此有力的支撑

此时只能尽量减轻桥梁自重

利用更加“骨感”的外形

保持支座的稳定

例如由我国首创的桁(héng)架拱

纤细的混凝土骨架让桥身更加轻盈

最大跨度可达到330米

▼贵州省江界河大桥,为混凝土桁架拱桥跨度的世界之最。摄影师@李贵云

或是在拱、梁交点间固定一“系杆”

以其拉力代替支座的推力

是为“系杆拱”

▼制图@张靖/星球研究所

▼武汉晴川桥,汉江两岸地基较为松软,适宜使用系杆拱。摄影师@潘锐之

随着普通混凝土拱桥达到跨度极限

又一种新桥型再次后来居上

工程师们将混凝土填充在钢管中

令其获得一层“保护壳”

因而比普通混凝土更加坚固牢靠

同时钢管亦可作为施工骨架

大大降低了拱桥的修建难度

于是这种“N全其美”的钢管混凝土拱桥

一时间成了拱桥圈的宠儿

▼柳州文惠桥,广西的第一座中承式钢管混凝土拱桥;其实之前出现的晴川桥也是钢管混凝土拱桥。摄影师@梁炳全

更有甚者

以填充完毕的钢管为骨架

于外层再次包裹混凝土

则演变为一种“硬骨头拱桥”

即劲性骨架混凝土拱桥

如今这种桥型跨度已突破400米

▼沪昆高铁北盘江特大桥,位于贵州北盘江峡谷深处,跨度445米。摄影师@王璐

自1993年起

我国粗钢产量跃居世界首位

桥梁建设逐渐走出了“舍不得用钢”的时代

钢拱桥也随之崛起

创造了一个又一个工程奇迹

▼南京大胜关长江大桥,6条轨道可同时通过京沪高铁、沪蓉快车和南京地铁。摄影师@艾小龙

并以其柔美的造型

装点着一个又一个城市的风景

▼广州新光大桥。摄影师@RUIZ

▼上海卢浦大桥,黄浦江第一座拱桥。摄影师@张扬的小强

如今

拱桥的单跨跨度已达到552米

甚至超过了一个躺倒的“中国尊”

▼重庆朝天门长江大桥,钢桁架拱桥,世界拱桥跨度之最。摄影师@鬼迹

而接下来登场的角色

即将帮助中国人突破1000米跨度大关

IV

钢铁琴弦

早在30年前

上海浦东还没有林立的高楼

市区黄浦江两岸相隔近400米

摆渡仍是来往通行的唯一途径

一座跨江大桥成为大势所趋

然而在当时的中国

还从未有桥梁达到如此跨度

即便难度可想而知

同济大学的李国豪校长和项海帆教授

依然力主自行建造这座“黄浦江第一桥”

在项教授给市长的信中写道

▼引自项海帆教授给的信件

上海是我国的东大门,黄浦江大桥应成为上海市的标志传名于世。建造黄浦江大桥不但是1000万上海人民的宿愿,也是上海桥梁工程界的梦想,在学校我们也一直以此激励桥梁专业的学生们。

1991年

以不到原方案一半的造价

上海南浦大桥正式落成通车

开启了我国自主建设超大跨度桥梁的先河

▼南浦大桥,上海市区的“黄浦江第一桥”,跨度423米。摄影师@一乙

这座大桥两端

伫立着两座约50层楼高的高塔

两塔与桥面间以180根钢索相连

如同一根根倾斜的钢铁琴弦

是为“斜拉桥”

▼斜拉索示意。摄影师@王栋

大桥建成后两年

原班人马再次操刀

杨浦大桥横空出世

其跨度超越600米

一跃成为当时世界斜拉桥之最

和南浦大桥堪称一时双璧

▼杨浦大桥,跨度602米。摄影师@吕威

但对于斜拉桥来说

这样的跨度仅仅是“小试牛刀”

根根拉索向上提拉

竭力阻止梁体向下弯曲

如同有了一个个“隐形桥墩”

极大地提高了桥梁的跨度潜力

▼敲黑板:斜拉桥的拉索可以抵抗横梁弯曲。制图@张靖/星球研究所

加之工程材料和计算方法的革新

现代斜拉桥从诞生起

仅用了50余年时间

便完成了1000米的跨越

▼香港昂船洲大桥,原计划是第一座突破千米跨度的斜拉桥,后被江苏省苏通大桥超越。图片来源@图虫创意

但超大的跨度带来了巨大的自重

还有来往的车辆行人、猛烈的横风

这些荷载多由拉索向索塔传递

因此对于斜拉桥

索塔至关重要

它必须格外稳定、格外坚固

制图@张靖/星球研究所

不仅如此

索塔的配置也十分讲究

有时如“一夫当关”

▼山西省仙神河大桥,是一座独墩矮塔斜拉桥,摄影师@邓国晖

有时双塔并立

▼海南省世纪大桥,双塔呈钻石形,摄影师@刘雅彬

有时多塔并举

▼武汉二七长江大桥,是一座三塔双索面斜拉桥,摄影师@陶进

其千姿百态的造型

极尽彰显着大桥的艺术气质

堪称工程和艺术的完美融合

▼南京眼,两座拱形门斜塔十分独特,是我国第一座获得阿瑟·海登奖的创新桥梁。摄影师@何小清

更重要的是

与生俱来的对称形态

让斜拉桥更容易实现“自锚”

这在“无地可锚”的环境下得天独厚

逐渐成为众多海湾大桥的符号

▼自锚是指拉索不需额外锚碇,直接锚固在自身横梁上;下图为港珠澳大桥中的两座斜拉桥。摄影师@黄昆震

然而

即便拉索能提起横梁

却也因其角度倾斜

沿着横梁方向产生水平的“轴力”

随着跨度延伸,拉索势必增加

于是这种轴力逐渐累积

直到梁体不堪重负

▼敲黑板:挤压横梁的轴力,制图@张靖/星球研究所

雪上加霜的是

当拉索越来越长、越来越倾斜

巨大的自重令其弯曲下垂

再难以紧紧拉住庞大的横梁

加之横风、成本等影响

斜拉桥将逐渐达到跨度极限

可谓是“成也斜拉索,败也斜拉索”

▼江苏省苏通长江大桥,跨度1088米,是我国已建成斜拉桥的跨度之最。图片来源@VCG

而要向2000米跨度发起冲击

只能指望最后一位选手了

V

跨度王者

在我国西南

地势险峻、水流汹涌

现代桥梁出现以前

人们只能依靠原始而简易的方式出行

最“简陋”时,只有一根孤独的溜索

▼金沙江上空260米,一条运行了近20年的溜索,位于云南省巧家县鹦哥村,摄影师@柴峻峰

略为“先进”的,则成为索桥或吊桥

▼新疆叶尔羌河上,一座简单的索桥,摄影师@小强先森

但它们的建造者、使用者

一定都想象不到

这种桥会在今天达到1650米的跨度

成为桥梁界的王者

西堠门大桥,浙江舟山连岛工程的一部分,跨度1650米,是我国已建成跨度最大的桥。摄影师@邬涛

这就是现代悬索桥

高耸的桥塔、弯曲的主缆、坚实的锚碇

组成了它最基本的承重体系

也是它最鲜明的外形特征

制图@张靖/星球研究所

和古老的索桥不同

现代悬索桥拥有格外坚韧的主缆

以位于贵州的坝陵河大桥

主缆以直径5.25毫米的高强钢丝为基本材料

91根为一束

208束为一缆

双缆并行

足以承载近万吨的钢梁

坝陵河大桥,摄影师@李贵云

相比巨大的横梁

桥上往来的车马行人则显得微不足道

于是桥面不再因外力上下波动

柔软难行的索桥已然成为历史

即便横梁跨度较小、自重较轻

桥面来往通行的载重不能被忽略时

工程师们依然可以通过加设“加劲梁”

避免横梁上下弯曲

▼加劲梁有多种,下图仅为其中一种的简单示意,制图@张靖/星球研究所

尽管悬索桥和斜拉桥都是“索”桥

悬索桥的吊索垂直于桥面

因而无论跨度多长

都不会产生轴向力挤压横梁

根据学者们的推算

悬索桥的跨度至少能达到5000米

实在令人咋舌

▼相较于拱桥,悬索桥的跨度增长十分明显。摄影师@柴峻峰

这也是为何众多难以逾越的天险

都被悬索桥一一征服

不论是大江大河上

▼武汉鹦鹉洲长江大桥,三塔四跨横贯长江。摄影师@田春雨

高山峡谷中

▼湖北四渡河大桥,跨越恩施武陵山脉V型谷,桥面高度560米,在云南尼珠河大桥落成前,为世界第一高桥。摄影师@在远方的阿伦

还是海峡两岸间

▼香港青马大桥,以1377米跨度穿越海峡,是连接香港机场和市区的主要通道。摄影师@Kenny

回顾中国桥梁的历史

我们曾遥遥领先于世界

却也曾远远落后于他人

虽然充满了坎坷和波折

但科学家和工程师们却从未停下脚步

在重重困难下

他们不断突破各种限制条件

包括跨度、载重、水深、基础、桥墩、地理、地质…

即便在一穷二白的困难年代

也能创造出新的技术

实现一次又一次的跨越

▼深圳北外环正在施工的公路桥。摄影师@黄猛

也正因如此

今天的中国大地上

仅公路桥梁就已超过80万座

高铁桥梁总长达1万余千米

它们跨越高山大川、连通城镇村庄

共同构成了一座

960万平方千米的“桥梁博物馆”

▼梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥以及刚构结构同框出镜,拍摄于武汉。摄影师@陶进(请横屏食用)

P.S. 本文主要参考文献包括:万明坤等《桥梁漫笔》,项海帆等《中国桥梁史纲》,项海帆等《中国桥梁概念设计》,茅以升《桥梁史话》等

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… The End …

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评论 1

  1. #1

    珍贵的信息,为中国骄傲

    匿名2周前 (12-05)回复