新技术重建金门大桥

冷锋

桥梁建筑史上的奇迹

20世纪30年代，为打破旧金山发展遇到的壁垒，美国人打算建立一座桥梁，横跨金门海峡。金门海峡深度超过了91米，最窄的地方也有1632米长，由于直接与太平洋相对，海峡常年受到强大潮流的冲击，水速保持在每小时15千米以上。它还距离1906年的旧金山地震震中很近。在海峡上建造桥梁，谈何容易！

尽管困难重重，旧金山的市民还是决心把它建起来。1933年，结构工程师约瑟夫·施特劳斯提交了他的桥梁设计。建设者们花了四年时间，耗费了10万多吨钢材，成功地建造起了当时世界上最大的悬索桥—金门大桥。建成的金门大桥全桥总长度达2737.4米，主跨1280米，宽度为27.5米，从海面到桥中心的高度约60米。虽然跨距很长，但其桥梁主体部分仅靠两根主缆所产生的巨大拉力，悬浮在半空之中，中间没有任何支撑，堪称是世界桥梁建筑史上的奇迹。

自1937年5月27日通车以来，金门大桥一直维持着其稳固性，成了美国加州标志性风景之一。那么，金门大桥的设计师们是如何克服困难，让其保持近80年屹立不倒的呢？如果用今天的技术对桥梁重新设计，我们又可以做出哪些改进呢？

注重每一个细节

金门大桥是一座悬索桥（吊桥），意味着它的主要承力部分是桥两端的两个钢塔，塔架间的钢缆会垂下许多细钢绳，把桥面吊住。桥面的重量及交通量会将钢缆向下拉，钢缆再将力传递到塔架上，并消散在地面下。同时，桥水平方向的强拉力会传递到岸边两端固定钢缆的装置上。

这种结构的桥梁在历史上并不罕见。早期热带原始人就用森林中的藤、竹、树茎等做成样式简单的吊桥，用于穿越山谷或者河流。几百年前，这些吊绳是由植物纤维制成的。20世纪初，大部分悬索桥塔是石头或钢做成的，但金门大桥的设计者必须使塔更轻巧灵活，从而对抗强风或地震。他们的创新就是把每平方米的中空钢化结构，用铆钉铆接在一起，一点点堆砌起来，光一个钢塔结构就用了60万个铆钉。

塔完工了，下一步就是建造缆线。缆线必须巨大，因为它们支撑着整个桥面以及吊绳的重量。可以想象的是，这条缆线必须建造得非常结实，因为如果缆线断裂，整个桥面将会崩塌。但显然，我们没法不出任何差错地建造一条又长又粗的缆线，所以设计师们采用了“聚麻成绳”的方法，用千万条细钢丝拧成一根缆线。

金门大桥的两根缆线由超过2.5万个独立金属丝绞成，每根金属丝并不粗，但是足够硬，一个人凭一己之力是不能将其折断的。建成的缆线达到2332米长，直径约达1米，随后，建筑师们还用压实机向每条缆线施加了超过7.3万千克的压力，以使其更紧实。自金门大桥1937年通车以来，这两条缆线是唯一没有被更换过的部分。

在桥面的设计上，金门大桥的建筑者们也花了不少心思。由于钢铁会热胀冷缩，或者因大风和地震而移动，桥面铺设的钢铁甲板被分成许多部分，与旁边的孔洞相衔接。由于这些孔洞，桥面将可以弯曲但不会断裂。此外，旧金山位于两个地质板块的交界处，同样出于安全的考虑，桥梁的两端还配备了减震器，以吸收来自风力或地震力的能量。

1983年，一个7.1级的地震袭击了旧金山，造成了约70亿美元的损失。房屋和道路倒塌，周边的奥克兰湾大桥遭受严重破坏，但受益于设计师们的精心设计，金门大桥完好无损。

如何重建金门大桥？

不过，即便金门大桥“固若金汤”，由于自然环境恶劣，强风、腐蚀性的海水和潜在的地震都在威胁着这座吊桥。总有一天，它会因为老化而无法使用。所以，有人建议重建金門大桥。那么，今天的工程师们会如何用最新的技术设计大桥呢？

桥梁承载的重量，自重占到70%～80%，随着时间的推移，这种结构可能会出现自重超过所能承载重力、钢铁生锈等问题。今天，借助新材料的应用，研究人员可以减轻桥身重量。一种方式是用纤维增强复合物材料取代钢铁或混凝土。这种复合材料用塑料树脂将玻璃纤维或者碳纤维粘合在一起，做成各种具有固定形状的坚硬制品。其强度比混凝土强5～6倍，但重量只有混凝土的1/4，而且它还具有极好的强度、优秀的耐腐蚀性。用这种材料建造桥梁，具有自重轻、施工方便等优势。

改造金门大桥的另一个重点是改造其缆线。目前缆线的主要构成成分是钢。而众所周知，钢容易生锈，而且比纤维增强复合材料重4倍，在金门海峡这样潮湿、盐分高的环境中，会更容易被侵蚀。但如果缆线由碳纤维制成，则会更加稳定。

比钢轻的新材料也可用于制造桥梁的其他部件，如桥面。使用塑料复合地板可以使桥面的甲板自重减少4/5，这将使今天的工程师可以设计一座横跨金门海峡的斜拉桥。斜拉桥与悬索桥的主要区别是斜拉桥可以不用缆线，缆绳会直接连接到吊塔上。

比起悬索桥，斜拉桥可以有更长的跨度，因此可以让金门大桥的一些支撑性建筑建造得更靠近岸边。比如，吊塔的地基就可以建造在水更浅的地方，这也有助于解决金门大桥兴建时面临的一个最主要问题：在深水下建造地基，需要面临强劲的水流，不仅异常困难，而且造价也很昂贵。

今天，人们也可以用更好的减震器，来帮助金门大桥对抗强风和更强的地震。当然，现在金门大桥依旧保存完好，真正重建尚待时日。endprint