跨海大桥如何“乘风破浪”

李彤

超能力之海底“扎根”

人们常说“地基不牢，地动山摇”。要想保障桥上汽车和火车的平稳通行，就要把大橋的“脚”稳稳地固定在海床上，也就是“打地基”。跨海大桥通常采用桩基础，它们形似桥墩底部垂直向下延伸的许多细长的钢筋混凝土“根须”（直径通常在0.8～3米）。“根须”在地基中，利用末端得到的支持力和它们与岩层之间的摩擦力来支撑上部的桥体。

那如何打桩呢？以泉州湾跨海大桥为例，工程师们首先在预定位置向土中打入一小节直径与桩相当的钢护筒，来提供一个稳定的工作环境。然后一边沿着护筒向下钻孔，一边在筒中灌入预先配置的泥浆。泥浆的作用非常重要，它既可以利用自身的黏性和密度，抵抗可能要坍塌的土壤；又由于它液体的特性，方便工程师们把预先绑扎好的钢筋笼放置到孔洞中。钢筋就位后，再用海洋工程专用的混凝土（海工混凝土）置换掉泥浆。待混凝土固化，大桥就可以在海中扎根了。

超能力之围堰施工

有了根，如何在水中继续建造又成了一个难题。因为有潮汐、水流以及海浪的影响，使得尚未成型的混凝土无法维持固定的形状。这就需要第二项超能力——围堰施工，也就是依赖人类强大的工程能力，在海中打造一块临时空间，抽出海水，来进行施工作业。

具体的围堰方式有多种，比如用一根根紧密排列的大型混凝土管围成封闭空间的，称作沉管围堰。而在泉州湾跨海大桥中，工程师们直接在海中安放了一个重490 吨，长41 米、宽27 米、高10 米的巨大钢盒子，这种方式也叫钢吊箱围堰。

超能力之智能合龙

与陆地建造不同，跨海大桥只能用以桥墩为出发点、悬空逐渐延长的方式建造。目前世界上跨度最长的跨海大桥是来自土耳其的1915 恰纳卡莱大桥，其跨度达到2023 米。如此远的距离，想保证合龙时毫米级的精度，仅凭肉眼来瞄准是不可能达到的。为此，聪明的工程师们准备了一系列高科技武器。

超能力之挑战恶劣天气

台风是破坏力最强的自然现象之一，跨海大桥在它面前简直岌岌可危。首先，面对台风时，大桥这类“又细又长”的结构是属于柔软且轻的，这个特性使得它很容易随风摇摆。其次，除了正面抵抗风力之外，桥面还要避免共振和震颤现象。也就是当风与大桥的固有频率接近时，会极大地放大振动的幅度，十分危险。第三，工程师在设计时还要模拟动态的风、桥、车三者的相互扰动和互相影响，这又增加了计算的复杂度。

这些难题的解决之道就是找到一个近乎完美的形状，就像赛车一样，形状的细小差别都会最终反应在赛车的性能上。首先，为了减小风的压力，许多大桥的主梁会采用流线的外形，让风可以顺畅通过。而在避免共振方面，需要做的就是改变大桥的频率，这也与形状有关。就像在吹口哨时，嘴巴只有努成特定的形状，口腔和空气才会共振，发出响亮的哨声。此外，工程师们还在大桥的侧面增设了一些特定形状的气动构件，比如导风板、风嘴等，作用类似于赛车尾部的扰流板。最后，为了验证设计成果，工程师们往往还要在现实世界中按照一定比例制作一个大桥模型，放在风洞实验室里去试炼一番，以获得更准确、可靠和全面的数据。

超能力之抗腐蚀

跨海大桥要想度过100 年的设计周期，还要提防另一个不可见的敌人——腐蚀作用。

要解决腐蚀问题，首先要做的是阻隔钢材与盐或氧的接触。例如泉州湾跨海大桥的主桥缆索就有着多重保护：外皮是双层塑料护套，内层覆盖了一层锌镀薄膜。并且，工程师还会稍稍放大钢材的用量，也就是允许一小部分钢材被腐蚀后仍能保证大桥的安全。

另一种常见的处理方式是在钢材表面刷油漆，例如美国著名的加州金门大桥，因为严重腐蚀，当地政府不得不雇佣油漆工常年为它补刷油漆。为避免这种浪费，我国的科学家和工程师研制应用了石墨烯制成的防腐涂料，不仅成本降低，还能为海洋腐蚀环境下的大桥提供长达30 年的防护寿命。

而为了保护混凝土中的钢筋，工程师会在混凝土中掺入粉煤灰等细小颗粒，来堵住混凝土表面的细小孔洞，从而增加混凝土的抗渗透能力；或用更“聪明”的办法——给钢筋外加电流。原理是为失去电子的铁原子补充电子，阻止铁原子和氧原子的结合，从而避免腐蚀。