2022年全国科普日期间,上海市公路学会联合同济大学交通运输工程学院通过广泛搜集、精心策划,站在公众的视角去思考和探究交通问题,并邀请行业内专家、学者进行专业科普,化繁为简、轻松趣味,科普入心,形成了“大咖揭秘”系列专题。系列推送经多个公众号转发,累计阅读量逾十万,在社会公众,尤其是青少年群体中产生了广泛影响,形成了独具特色的科普品牌。
2023年科技节期间,上海市公路学会乘势而上,紧密围绕着“低碳”等热点问题,打造“大咖揭秘第二季”。
本期是大咖揭秘第二季总第六期,主题为《桥梁为什么会生病》,有请大咖!
王水龙,正高级工程师,现任上海同丰工程咨询有限公司副总裁,兼任上海市浦东新区公路学会桥梁专业委员会主任。致力于桥梁相关新产品、新技术的研发、应用和生产工艺的改进。主持了十多项研发项目并成功将新技术应用于桥梁检测,开发出拉索桥梁特护成套技术;将互联网技术和桥梁检测技术结合,带领团队研究桥梁在线健康监测,研发了桥梁管理系统及道路桥梁动态超载监控系统。主要论著有《预应力塑料波纹管道摩阻损失试验研究》、《大跨预应力混凝土鱼脊连续梁桥关键技术》、《桥梁病害》、《机械振动桥梁动态测试与检测测量结果的评估》。其《特大跨新式预应力混凝土梁式桥型关键技术研发与示范应用》荣获华夏建设科学技术奖二等奖,《大跨径预应力混凝土鱼脊梁桥关键技术与示范应用》获得上海市科技进步奖二等奖,《既有线提速钢梁桥加固技术试验研究——钢桁梁桥加固研究》与《智能型无线数据传输桥梁振动检测分析系统研制》分别获得中国铁道学会科学技术奖二等奖、三等奖。
桥梁会生病吗?
桥梁有寿命吗?
为什么桥梁会垮塌?
为什么多数城市高架桥上限制货车通行?
为什么车辆通过部分桥梁时,不允许变换车道?
车辆经过桥梁时,它们会产生振动,桥梁还安全吗?
都知道两点之间直线最短,而跨海大桥为什么往往设计成曲线?
答:桥梁是现代交通建设中不可或缺的重要组成部分,它们在连接道路、跨越水域、山谷和障碍物、缩短行程等方面发挥着重要的作用。
但是,由于自然灾害以及一些不合理的使用等因素的影响,导致个别桥梁垮塌,桥梁垮塌的原因可分为如下几个方面:
1)天气和自然灾害
天气和自然灾害包括地震、风暴、洪水、滑坡等,这些灾害都可能对桥梁造成破坏甚至垮塌。
地震是最常见的自然灾害之一,它可以使桥梁产生强烈的振动和变形,严重的会导致其垮塌。例如,2008年的汶川大地震使地处漩口镇和映秀镇交界处的百花大桥第5联整体垮塌,造成了严重的人员伤亡和财产损失。
风暴也是引起桥梁垮塌的常见原因之一。当风速达到一定程度时,强风会对桥梁造成冲击和振动,从而可能导致其垮塌。例如,1940年,美国西海岸的塔科马海峡大桥建成仅四个月后,在八级大风的吹动下,发生了剧烈振动,几个小时后,大桥发生了结构性垮塌。该事件在世界工程界引起巨大震动,由此催生了桥梁抗风这一新的学科,极大推动了桥梁工程技术的进步。
洪水亦可能使桥梁淹没、侵蚀和削弱,严重者会导致其垮塌。例如,2019年6月14日,广东省河源市区东江大桥当日凌晨2时12分因遭遇上游枫树坝水库连日泄洪的洪水冲击而垮塌,事故造成了严重的交通瘫痪和财产损失。
滑坡是另一种可能导致桥梁垮塌的自然灾害。滑坡可能导致桥墩移位、倾斜和支撑结构的破坏,从而使桥梁失去支撑而垮塌。例如,2019年9月15日,甘肃省定西市通渭县常河镇小庄村马家阳山发生特大山体滑坡事故,造成当地的阳坡桥垮塌。
2)车辆超载和撞击
过重的车辆和外力碰撞均可能会导致桥梁垮塌。
桥梁设计时,需要考虑到道路交通量、车辆类型、风速、水流等因素,以确保桥梁的安全运行。然而,如果桥梁在使用过程中超过了其设计承载能力,就会发生超负荷运行的情况,导致桥梁结构损坏甚至失稳,最终垮塌。资料显示,车辆的超载是造成桥梁结构使用性能下降及破坏的主要原因,超载运行可以是由于交通流量过大、大型车辆的使用、装载货物过重等原因造成的,而当桥上通行荷载超过了桥梁的设计荷载标准,就会导致桥梁开裂、桥墩变形等病害,严重的会引起桥梁结构灾难性的破坏。根据交通管理部门对高速公路以及国、省道主干线的调查资料显示,桥梁行车道的损伤要远比超车道严重,车流量大的方向要比车流量小的方向损伤严重,行车速度快的路段上的桥梁要比行车慢的桥梁损伤严重,这些都说明了超载超限会对桥梁结构造成严重的危害。
此外,车辆或船舶碰撞作为一种常见的交通事故,也会危及桥梁安全。当车辆或船舶撞击桥梁时,它主要造成的影响有:(1)损坏桥梁结构,碰撞带来直接冲击力,可能造成桥梁结构的破坏,如断裂、扭曲、弯曲等;(2)改变桥梁结构状态,碰撞可能改变桥梁结构的状态,例如改变墩柱截面尺寸、倾斜度或垂直度,进而影响桥梁的稳定性和承重能力;(3)影响桥梁基础,碰撞还可能影响桥梁的基础,如造成桥墩的垮塌、地基移位等,导致桥梁整体结构受到影响;(4)不可控的潜在风险,即使碰撞不会立即导致桥梁的垮塌,它也可能引发桥梁产生潜在危险,如加剧桥梁结构的疲劳、裂纹等问题,从而缩短桥梁的使用寿命。
3)腐蚀和老化
材料的腐蚀和老化也是导致桥梁垮塌的原因之一。桥梁建设所用的材料通常是混凝土、钢铁等,这些材料随着时间的推移和环境的变化可能会发生腐蚀、老化等问题,如果这些问题没有得到及时的维修和处理,就有可能会导致桥梁结构损坏和垮塌。因此,及时检测和维护对于保障桥梁的安全和可靠性至关重要。
4、为什么多数城市高架桥上限制货车通行?
答:高架桥作为建在地面以上,供车辆或行人通行的桥梁,通常规定不能通行货车,这样的规定是基于以下原因。
(1)载重限制:城市高架桥的设计载重等级通常低于国省干道和高速公路桥梁载重等级,如果过重的车辆在高架桥上通行,会给桥梁带来巨大的压力,可能导致桥梁的损坏或者垮塌。为了保证城市高架桥的安全运行,一些城市高架桥通常禁止货车通行。
(2)道路宽度限制:高架桥的宽度相对较窄,货车通行时可能占用过多的车道宽度,易导致道路拥堵、交通事故等问题的发生。为了保障城市高架道路通行的安全和畅通,故城市高架桥通常规定只允许轻型车辆和小型客车通行。
(3)安全隐患:货车的车高和车宽相对较大,如果货车在高架桥上通行时不慎碰撞到其他车辆或者桥梁结构物,可能会引发交通事故,造成人员伤亡和财产损失。为了减少这种安全隐患,城市高架桥通常规定货车不能通行。
(4)对桥梁结构不可忽视的冲击作用:货车的重量和体积比较大,在高架桥上行驶时,经过桥梁连接处、桥墩、桥面等结构部位,货车相对于中小型车辆,对桥梁结构会造成更大振动和冲击,这将引起桥面损坏和结构损伤,甚至是桥梁的垮塌,故城市高架桥一般不允许货车通行。
5、为什么车辆通过部分桥梁时,不允许变换车道?
答:在道路行驶过程中,我们时常能看到“桥上不允许变道”的警示牌,这也是常见的交通规则之一。那么,为什么桥上不允许变道呢?
首先,桥上不允许变道主要是因为桥梁结构的特殊性。桥梁通常由梁体、支座、墩柱等部分组成,直接承载的是梁体而不是路面,为避免受车辆因碰撞、起火甚至爆炸等事故对桥梁的破坏性影响,要求车辆在桥上行驶时需要尽量保持稳定,不能随意变道。
其次,相对于道路上其他路段,有时桥面车道宽度较窄,在桥上行驶时,如果随意变道,车辆之间相互干扰较多,容易引发交通事故,所以桥面不允许变道主要还是为了减少车辆事故对桥梁结构的影响。
答:当车辆行驶在桥梁上时,它们会对桥梁产生一定的振动,这是正常现象。
桥梁振动的主要原因是车辆通过桥梁时,车轮与桥面之间产生的激振效应。当车辆通过桥梁时,车轮在桥梁表面产生的震荡波会向下传递,同时也会向上反弹,形成一种向上的冲击力,这种力会使桥梁产生振动。车辆的质量、车速、轮胎的气压、轮距以及车辆的悬挂系统等因素都会影响振动的强度和频率。
其次,桥梁自身的结构问题也可能导致桥梁振动。桥梁的设计、施工、维护都需要经过精细的计算和规划,如果存在结构缺陷或者损伤,也会导致桥梁振动。特别是对于老旧的桥梁来说,由于使用时间久远和外力的作用,桥梁的材料会发生疲劳、腐蚀等问题,如果不能及时修缮,也会加剧振动的风险。
最后,路面因素也会对桥梁过车振动产生一定的影响。路面的不平整程度和结构松散程度都会对车辆通过时的振动产生影响。例如,当路面存在凸起或坑洼时,车辆行驶时会产生冲击,这会导致振动的幅度增大。
在正常情况下,车辆通过桥梁时产生的振动不会影响桥梁结构的安全,桥梁的设计和施工过程都考虑到了车辆通过时的振动因素,并采取了相应的措施来确保桥梁结构的稳定。例如,桥梁通常会设置缓冲带或减震装置来吸收车辆振动的能量,以减少对桥梁本身的影响。当然,如果车辆超载、荷载不合理分布或者桥梁自身存在结构性损伤,桥梁在上述原因共同作用下就会存在产生过度振动和损坏的风险。
7、都知道两点之间直线最短,而跨海大桥为什么往往设计成曲线?
答:虽然两点之间的直线最短,但是在桥梁设计中,设计师往往会将跨海长大桥设计成曲线桥,这是因为跨海大桥需要考虑到多方面的因素,而曲线设计能够满足这些需求。
(1)通航净空要求。跨海大桥通常要考虑下方航道的通行要求,为了满足船舶的通过和航行安全,桥梁通常在主航道抬高,桥梁纵断面呈曲线,以满足航道通航净高要求。
(2)现场地质条件限制:在建造跨海大桥时,需要考虑到海洋环境、地形地貌和地质条件等因素。如果桥梁设计成直线,有可能需要在建设过程中大量填海造陆或者挖掘,这不仅会浪费大量资源,还会对环境造成严重破坏。而采用曲线设计可以在一定程度上降低施工难度和破坏周边环境的风险,同时也可以更好地适应复杂的地质条件。
(3)满足抗风设计要求:由于跨海大桥常常位于开阔的海面上,风力较大,桥梁结构在大风天气下更容易受到侧风的影响,因此抗风是跨海大桥设计中的重要考虑因素之一。而曲线设计可以减少桥面上的横向风压,使得桥面上的横向风力得到更好的分散和减缓,减少风对桥梁的影响。
(4)海水流向的考虑:我国现行规范《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)第3.2.3条要求:桥梁纵轴线宜与洪水主流流向正交。对通航河流上的桥梁,其墩台沿水流方向的轴线应与最高通航水位时的主流方向一致。这个要求的目的是要让墩台的走向尽量顺着水流的方向,避免墩台常年受水流以及水流中夹带的杂物、浮冰等物体的不停冲击,也避免船舶在通过墩台之间的航道时被突然的水流冲到墩台上造成事故。跨海大桥跨越的范围很大,经过的区域水流流向不尽相同,因此要在不同的区域采用不同的轴线走向,不同的区域与区域之间采用平滑的曲线连接起来,这也造成了跨海大桥弯曲的平面走向。
(5)桥梁美学:跨海大桥的设计固然是为了承载交通,同时还要考虑它的美观度。曲线设计可以增加跨海大桥的美观性。通过赋予桥梁曲线形状,可以使其与周围的自然环境相融合,营造出更加优雅和流畅的视觉效果。这样的设计也有助于增加人们对桥梁的兴趣和认同感。