葛耀君 同济大学 桥梁工程系教授,国际桥梁与结构工程协会主席

如果没有抗风设计,大桥就像一个巨型“秋千”

造就 TALK · 2018-11-29 · 16:41:56

造就第385位讲者 葛耀君

同济大学桥梁工程系教授

国际桥梁与结构工程协会主席

近年来,中国一直被称为“基建狂魔”,工程建设的规模,技术的创新都获得了极大的认可和肯定。2018年9月,本期讲者葛耀君成功当选国际桥梁与结构工程协会主席 [1]中国工程也已经走出国门,向世界迈进。桥架南北,天堑通途,我们跨过了前人难以逾越的高山大川,创造了众多奇迹。那么,中国到底是不是桥梁强国?桥梁工程的技术创新又有哪些?葛耀君教授的演讲将给我们答案。

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大家下午好,我叫葛耀君。我来自“桥梁世家”,但是大家不要误会,我的爸爸和我的爷爷都不是造桥的,而是因为我的导师,和我导师的导师都是国际著名的桥梁工程的专家。

我们三个都是来自同济大学,所以同济大学才是“桥梁世家”,而且它是我们新中国第一个桥梁工程学科的诞生地。

“桥梁世家”的三代传承

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我介绍一下我导师的导师李国豪,解放前他留学德国,获得博士学位以后回到同济大学,1952年在同济大学创办了中华人民共和国第一个桥梁工程学科。文化大革命以后,他又出任同济大学的校长,以后又担任了名誉校长。他是中国科学院和中国工程院的两院院士,同时还担任了上海科协和上海政协的主席。

我的导师项海帆是李国豪教授的第一位研究生,他是文化大革命以后第一批获得德国洪堡基金赴德国留学的学者。回国以后1987年,他在同济大学创办了中国高校历史上第一个桥梁工程系并兼任系主任。他是我们桥梁抗风研究的开拓者,也是中国工程院的院士。

我是项海帆教授的第一位硕士研究生,以后又跟他读了博士。我主要从事的是桥梁抗风的教学和科研工作,并且在项老师之后兼任了同济大学桥梁工程系主任长达十年。所以我今天自豪地宣称——我是李国豪教授桥梁工程、项海帆教授桥梁风工程的继承人。实际上我们同济大学桥梁工程系60多位老师都可以称为中国桥梁工程和风工程的继承人。

力求自主,中国桥梁工程界与日本、英国竞争

要说同济大学对于中国桥梁最主要的贡献,就要数呼吁和践行中国桥梁的自主建设。我相信在座的一定会知道上海最引以为自豪的是我们在黄浦江上面的第一座大桥——上海南浦大桥。

上个世纪80年代围绕着由谁来修建上海南浦大桥,曾经进行了非常长时间的一个争论。1987年8月18号,我的导师项海凡教授向时任上海市市长的江泽民同志写信,呼吁自主建设南浦大桥。在信中项老师是这样写到的:

中国的桥梁工程界完全有能力自己设计和建造像黄浦江大桥这样规模和技术难度的大跨度桥梁,中国工程界需要实践的机会来提高自己的水平。

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这是一个中国的桥梁专家向上海、向全中国发出的中国桥梁自主建设的第一声呐喊。一个月以后,江市长在项老师的信上亲笔批示:

我看主意应该定了,就以中国人为主设计,集思广益,至多请个把美籍华人当当顾问,比如林同炎[2]

在确定了南浦大桥自主建设以后,当时已经年逾75岁的李国豪教授亲自担任了专家组组长。他也没有邀请任何外国人当顾问,1989年上海南浦大桥开工建设,除了钢梁的钢板和拉索的钢丝是进口的,其他全都是国产的,充分体现了高度的自主建设。

1991年11月19号,上海南浦大桥顺利建成通车,极大地提升了中国桥梁界自主建设大跨度桥梁的信心。

但是就在那年的年底,出生于广东梅县的李国豪教授得知,广东虎门将要邀请英国公司来带资修建我们大桥。李国豪教授是广东人,所以他对广东有一种刻骨铭心的感情。他写信给时任广东省省长的叶选平同志,他说:

虎门是中国林则徐禁烟的国耻地,中国人民的感情很难接受一个英国的公司。而且上海南浦大桥自主建设已经取得了极大的成功。

叶选平省长在收到李国豪教授的信以后亲切会见了李国豪教授,并在会见中间当场承诺,虎门大桥由我们中国人自己来建设。

1992年,虎门大桥开工建设,五年之后自主建设顺利竣工。从此以后中国的桥梁不用问出处,所有都是由我们自己、由中国人设计和施工的。

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虎门大桥

我们再回到上海,看看有多少座自主建设的桥梁。

1991年我们建成了上海南浦大桥,1993年我们又建成了上海杨浦大桥,并且创造了斜拉桥跨度的世界纪录。1996年建成了徐浦大桥,2003年建成了卢浦大桥,2005年建成了东海大桥,2009年又建成了上海长江大桥。

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我们再来看看全中国桥梁自主建设的辉煌成就。

上个世纪90年代,我们建成了江阴长江大桥、广东虎门大桥、广东礐石大桥、万县长江大桥,其中江阴长江大桥是中国第一座一千米以上跨度的桥梁,也使得中国成为了全世界第五个能够建造并且拥有一千米以上跨度桥梁的国家。

新世纪的第一个十年,我们建成了舟山西堠门大桥、润扬长江大桥、苏通长江大桥、重庆朝天门大桥等。舟山西堠门大桥和苏通长江大桥双双创造了钢箱梁悬索桥和斜拉桥跨度的世界纪录。

新世纪的第二个十年,泰州长江大桥、武汉二七长江大桥、四川合江一桥、港珠澳大桥等等又都顺利建成。同时又创造了双主跨悬索桥和斜拉桥跨度的世界纪录,那就是我们的泰州大桥和武汉二七长江大桥。

没有抗风设计,大桥就像一个巨型秋千

那么当然大家肯定会说既然自主建设了,这是中国桥梁的灵魂,那么世界桥梁又在追求什么呢?也许这个问题大家可以找到答案,因为现在到处都在说创新,世界桥梁追求的肯定是创新,那么在桥梁工程中间,又是怎么样来进行创新的呢?

为了回答这个问题,首先我给大家介绍一下桥梁的组成。桥梁一般可以分成三种结构,或者说由三个部分组成。

最主要的部分我们把它称为桥梁结构,它是跨越障碍物的一个结构通道。为了支撑这样的一个结构通道,我们需要在障碍物的两边和通道结构的下方有一些支撑,这样的结构我们叫桥梁基础,或管它叫桥墩或者桥台。

除此之外,为了方便通道结构的使用,我们在上面还有一些所谓的桥面设施,它包括了栏杆、照明、交通标志、标线等等。这样就组成了我们一座完整的桥梁。

如果按照桥梁结构的受力情况,我们可以把桥梁分成四种类型。它包括梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥。

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其中梁桥的跨越能力最小,大概300米。拱桥的跨越能力稍微大一点,500米。斜拉桥的跨越能力更大,1000米。悬索桥的跨越能力是最大的,目前已经达到了将近2000米。

那么我们来看看最近两条关于大桥的新闻。

2018年10月24号,历时八年建设的港珠澳大桥顺利建成通车,并且抵抗住了台风“山竹”的侵袭。没想到四天以后,另一则新闻引起了我们的震动,重庆万州二桥大巴车过江的时候,由于人为事故撞栏坠江,15个在车上的乘客全部遇难。

一红一白,这两则新闻不仅吸引着全中国,而且吸引着全世界的目光。

重庆万州二桥整个大巴车坠江事件,显然是一起人为的交通事故,由于乘客和司机发生了争执,以致司机操作失误、撞栏坠江。这样一件事情中间,我们可以吸取到什么教训呢?我想至少有两点启示是非常明确的。

第一条,我们应该提高市民的素质,这需要全社会大家共同的努力。第二条,我们可以增加桥梁的安全,比如我们可以增设桥梁中央的分隔带,可以增设桥梁两侧的防撞栏杆。但是不管怎么样,这样的一起人为事故是可以避免的。

那么反过来,如果是自然灾害,我们又如何来避免呢?特别是像大风,像台风,像飓风,一座大跨度的桥梁又如何来抵抗呢?我们下面来看看1940年秋发生在美国华盛顿州塔科马大桥可怕的事件。

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在一场不是非常大的八级大风的作用之下,塔科马大桥发生了强烈的震动,并且振动的振幅不断增大,最后导致整个桥梁上部结构的垮塌,震惊了全世界,从此也揭开了桥梁抗风研究,后来又发展成为风工程研究的序幕。

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那么为什么会有这样的一个灾难的发生?我们知道,当桥梁结构的跨度达到一定程度的时候,自然风就会激起桥梁结构的振动。这种振动的形式主要表现为三种,它包括竖向弯曲振动、扭转振动和侧向弯曲振动。

但是要命的或者说引起塔科马大桥垮塌的恰恰是这样的一种振动,我们把它称之为颤振,它的振幅是会随着时间的变化不断增长的。

风致振动除了我们讲到的颤振之外,还可以表现为涡振和抖振另外两种形式。我们首先来举一个例子。

比如大家熟悉的上海卢浦大桥。上海卢浦大桥的跨径是550米,它把封存了30多年拱桥跨度的世界纪录给刷新了。前一个世界纪录是513米,在美国Bayonne Bridge。那么这个是550米,因此在这样的一座桥梁中间一定有许多创新,当然它也获得了许许多多国内外的奖项,我就不一一列举了。

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我想说的是其中一项创新,大家可以看一下这是一个卢浦大桥的拱肋,它近似于一个矩形的断面,所以我们在学术上面把它称为是不锋利的刀一样的非常钝的钝体,当然是相比于我们所谓的流线体。

为了克服这样的钝体所产生的涡振,我们想了好几种办法,然后我们根据数字分析以后发现,最后一种办法它的效果是最好的,我们把它称为隔流板。

为什么隔流板的效果会好?在没有加隔流板的钝体上产生上下两个大涡,最后合成了一个更大更强烈的涡,使得这两片拱肋发生振动,我们叫涡激振动得以激发。

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那么我们加了这片隔流板以后情况是什么呢?尽管仍然有两个涡,但是上下两个涡合不成一个更大的涡,而且上面的涡顺时针旋转,下面涡逆时针旋转,一部分抵消了它的涡振振动。

正是由于这样的一个机理和发明,才使我们做出了对于桥梁技术的一大创新,并且这样的技术后来又在广州新光大桥和肇庆西江特大桥得到了非常好的应用。

第二个例子是舟山大陆的连岛工程。在舟山大陆连岛工程中间一共有五座桥梁,其中我们要讲到的这座桥梁就是连接金塘岛和册子岛的西堠门大桥。舟山西堠门大桥由于它要跨越非常深的水道,并不是为了通航。

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我们需要把这个跨径做得非常大,根据当时全世界所具有的经验,中国的润扬长江大桥的跨度是1490米,颤振临界风速只有52米/秒。而丹麦的大海带大桥是1624米,它的颤振检验风速是65米/秒。而我们西堠门大桥的跨度是破纪录的1650米。

由于桥位所在的位置地处我国东南沿海台风频发地区,所以它的设计风速特别得高,达到了78.4米/秒,实际上是78米/秒。它也创造了当时世界上所有已经建造的桥梁抗风的纪录。

为了解决这样的一个问题,我们提出了在原来的整体箱梁的中间开一个槽,使得它变成了一个分体的箱梁来抵抗风荷载的作用。然后我们通过大量的风洞试验,证明中间槽的宽度6米和10.6米都可以满足要求。

我们最后选择了比较经济的中间6米槽宽的分体式的钢箱梁,解决了抗风的问题。而这项技术在四年以后又被韩国的李舜臣大桥所采用,最近丹麦有一座跨海桥梁也将采用这样一项技术。

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港珠澳大桥

我只是非常简单地列举了两个我们所谓抗风中间的技术创新,那么大家肯定会问,刚才我提到了港珠澳大桥,为什么不讲讲港珠澳大桥的抗风呢?

港珠澳大桥实际上是由三个斜拉桥所组成,其中最大一个斜拉桥的跨度是420米,叫青州航道桥,最小的一个斜拉桥的跨度只有250米,叫江海直达船航道桥。这两座桥梁的跨径如果和西堠门大桥做比较的话分别只有四分之一和七分之一,当然它的抗风难度就没有这么高,所以它也就没有什么更大的抗风创新。

要知道我们在工程中的创新,不是为了创新而去创新,而是为了结构的安全,为了结构的经济性而去创新。

所以港珠澳大桥在我们简单的优化以后可以抵御16级的台风,而台风山竹大概是14级,可能14级还稍微不到一点。而且它的台风中心距离港珠澳大桥的轴线还有上百公里,因此我们也就非常容易理解为什么港珠澳大桥什么事都没有,经历了台风的考验。

中国是桥梁强国吗?

我们说世界桥梁追求的是桥梁建设技术的创新,而我仅仅是列举了其中两个我自己经历的所谓的技术创新。大家肯定会问,对于我们中国桥梁来讲,既然你有这么多的桥在造,也有这么多的技术创新,中国现在桥梁的地位到底是什么?

下面我们来看四张片子。

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第一张所显示的是全世界已经建成了十座最大跨度的悬索桥,在这个中间中国占了四席。

第二张片子讲的是斜拉桥,十座中间中国占了六席。

第三张片子讲的是大跨度拱桥,我们有七席,另外两座在美国,一座在澳大利亚。

最后这张片子是梁桥,在十座最大跨度的梁桥中间,中国也有五座。所以平均一下我们可以看到已经超过了一半都在中国。

从这几张图上面我们明显可以看到,中国已经成为了名副其实的桥梁大国,但是在技术上面,中国是不是桥梁强国呢?为了回答这个问题,我们首先来看看六个世界上公认的桥梁建设技术的强国。

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第一个是垄断了1980年之前悬索桥跨度所有世界纪录的美国;第二个是预应力混凝土之父及大跨度斜拉桥的法国;第三个是现代斜拉桥的创始国以及有强大科技实力的德国;第四个是中小跨度桥梁以及山区桥梁创新的杰出典范瑞士;第五个是创造并保持悬索桥和斜拉桥跨度世界纪录的日本;最后一个是跨海工程创新以及拥有世界著名的COWI公司的丹麦。

这六个国家是公认的世界桥梁强国,那么我们总结一下六个国家的情况,我们会看到大概有这样四个标准。

第一个是重大工程,我们中国有了,而且非常得多;第二个原创技术,我们中国有一些但是还不多;第三个是专家团队,在这方面我们还有一些欠缺;第四个方面是竞争胜出,所谓竞争而胜出是指在全世界的设计与施工公平竞争中通过招标的方式来胜出,中国正在慢慢地赶上来。

所以我们说中国桥梁重大工程已经非常多了,其他方面还亟待努力,桥梁建设水平代表了一个国家的形象,而且是一个国家科技含量和经济实力的集中体现。那么正因为这样我们需要在桥梁方面进行探索,进行创新,进行实践。

桥架南北 天堑通途

同济大学作为“桥梁世家”正在探索5000米跨度的悬索桥。悬索桥目前的跨度只有2000米,要做5000米跨度的悬索桥需要何等的勇气,需要何等的智慧,需要何等的自信。

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我们从2002年开始对这个项目进行了研究,一直到现在已经从整体式的钢箱梁发展成了分体式的箱梁,可以使得它的颤振临界风速提高了接近一倍。同时我们也发现,在所有的工况中正三度攻角是最不利的,目前在正三度攻角之下还只能够抵抗12级的台风。

未来我们希望去探索能够抵抗更大的台风,比如讲14级、16级等等。我相信在不久的将来,我们一定会取得成功!

大家肯定会问,这么大跨度的桥梁用在什么地方?不是现在2000米就够了吗?我可以非常自豪地告诉大家,首先我们可以把这样的桥梁用在连接我们中华民族的台湾海峡上。

其次我们可以把这样的桥梁用在连接欧非大陆的直布罗陀海峡上面。当然,这是要有工程背景和有工程需求的。

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我们说专业上狭义的桥梁,指的是跨越障碍物通往彼岸的一种通道;生活中广义的桥梁,是指能够起到沟通作用的人或者事物。

随着时代的发展,我们赋予了桥梁更多的含义,比如我们说桥梁是沟通人与人之间、机构与机构之间、地区与地区之间,甚至于国家与国家之间的友好交往的纽带。

所以为了实现中华民族的伟大复兴,让我们一起来共同建设更多更美好的专业桥梁和生活上的桥梁!谢谢大家!


注1:国际桥梁与结构工程协会

国际桥梁及结构工程协会(International Association for Bridge and Structural Engineering),简称:IABSE。成立于1929年,现有3000名会员,来自100多个国家和地区,是目前会员国最多的国际土木类协会。中国团组于1976年由李国豪院士创立,同济大学项海帆院士于2001年当选为 IABSE副主席。2018年9月,同济大学葛耀君教授当选为IABSE主席,成为该协会近90年历史上担任主席职务的首位中国学者。

注2:林同炎

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林同炎(1912.11.14——2003.11.15),生于中国福建福州,美国工程院院士,中国科学院外籍院士,加州大学伯克利分校教授。他是预应力混凝土理论及设计领域的奠基人之一,世界闻名的土木工程结构大师。在大跨度桥梁和高层建筑的抗震结构等方面作出了创造性贡献。


文字:王锐

校对:其奇

  • 中国制造
  • 工程
  • 桥梁
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