金門大橋徐旭鋒2013010107081引言金門大橋是世界著名的橋梁之一，也是近代橋梁工程的一項(xiàng)奇跡。在199年英國(guó)《橋梁設(shè)計(jì)與工程》雜志評(píng)選20世紀(jì)世界最美橋梁活動(dòng)中列第二名。最早知道金門大橋應(yīng)該是在在初中的時(shí)候，nba有一支球隊(duì)是金州勇士，而它的球隊(duì)標(biāo)志就是一座橋，看著很美很壯觀。而后每次看到這座橋，就會(huì)不自覺的去更多的了解它。在懸索橋發(fā)展的歷史長(zhǎng)河中，金門大橋扮演著領(lǐng)頭羊的角色，首次突破了4千英尺的技術(shù)界限，并開創(chuàng)了眾多的第一次，是后來者的標(biāo)桿。2工程背景和概況金門大橋雄峙于美國(guó)加利福尼亞州舊金山長(zhǎng)1900多米的金門海峽之上，歷時(shí)4年，利用10萬多噸鋼材，耗資達(dá)3550萬美元建成，由橋梁工程師約瑟夫·施特勞斯（Joseph.Struss,1870—1938年）設(shè)計(jì)。1579年英國(guó)探險(xiǎn)家FrancisDrake發(fā)現(xiàn)了連結(jié)太平洋和舊金山的一個(gè)海峽，這就是后來的金門。盡管這個(gè)名字在1849年的淘金潮以前早就使用，但淘金潮使得金門（進(jìn)入北California的入口）成了加利福尼亞神秘魅力不可缺少的一部分。早在1872年就討論過要在金門海峽修建一座大橋的想法，但是直到1937年才在海峽上修了一座懸索橋。金門大橋橫跨南北，將舊金山市與Marin縣連結(jié)起來?；ㄙM(fèi)四年多時(shí)間修建的這座橋是世界上最漂亮的結(jié)構(gòu)之一。它已不是世界上最長(zhǎng)的懸索橋，但它卻是最著名的。金門大橋的巨大橋塔高227米，每根鋼索重6412公噸，由27000根鋼絲絞成。1933年1月始建，1937年4月完工，1937年5月首次建成通車。金門大橋的最初的構(gòu)想來源于橋梁工程師約瑟夫·斯特勞斯。斯特勞斯在此前設(shè)計(jì)了400多座內(nèi)陸的小型橋梁。他花了10多年時(shí)間游說北加州的居民。這座橋的其他主要設(shè)計(jì)者包括決定其藝術(shù)造型和顏色的艾爾文·莫羅、合作進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)推算的工程師查爾斯·埃里斯、橋梁設(shè)計(jì)師里昂·莫伊塞弗。金門大橋的北端連接北加利福尼亞，南端連接舊金山半島。當(dāng)船只駛進(jìn)舊金山，從甲板上舉目遠(yuǎn)望，首先映入眼簾的就是大橋的巨形鋼塔。鋼塔聳立在大橋南北兩側(cè)，高342米，其中高出水面部分為227米，相當(dāng)于一座70層高的建筑物。塔的頂端用兩根直徑各為92.7厘米、重2.45萬噸的鋼纜相連，鋼纜中點(diǎn)下垂，幾乎接近橋身，鋼纜和橋身之間用一根根細(xì)鋼繩連接起來。鋼纜兩端伸延到岸上錨定于巖石中。大橋橋體憑借橋兩側(cè)兩根鋼纜所產(chǎn)生的巨大拉力高懸在半空之中。鋼塔之間的大橋跨度達(dá)1280米，為世界所建大橋中罕見的單孔長(zhǎng)跨距大吊橋之一。從海面到橋中心部的高度約60米，又寬又高，所以即使?jié)q潮時(shí)，大型船只也能暢通無阻。包括從鋼塔兩端延伸出去的部分，全長(zhǎng)達(dá)2737米，為此，又分別在兩側(cè)修建了兩座輔助鋼塔，使橋形更加壯觀。大橋的橋面寬27.4米，有6條車行道和兩條寬敞的人行道。大橋的設(shè)計(jì)者是工程師約瑟夫·斯特勞斯，人們?yōu)榧o(jì)念他對(duì)美國(guó)作出的貢獻(xiàn)，把他的全身銅像安放在橋畔。銅像形象生動(dòng)，神情自若。3結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相對(duì)于其它橋梁結(jié)構(gòu)懸索橋可以使用比較少的物質(zhì)來跨越比較長(zhǎng)的距離。懸索橋可以造得比較高，容許船在下面通過，在造橋時(shí)沒有必要在橋中心建立暫時(shí)的橋墩，因此懸索橋可以在比較深的或比較急的水流上建造。懸索橋比較靈活，因此它適合大風(fēng)和地震區(qū)的需要，比較穩(wěn)定的橋在這些地區(qū)必須更加堅(jiān)固和沉重。懸索橋的堅(jiān)固性不強(qiáng)，在大風(fēng)情況下交通必須暫時(shí)被中斷。懸索橋不宜作為重型鐵路橋梁。懸索橋的塔架對(duì)地面施加非常大的力，因此假如地面本身比較軟的話，塔架的地基必須非常大和相當(dāng)昂貴。金門大橋采用自錨式結(jié)構(gòu)體系，和地錨式相比可以不考慮地質(zhì)條件的影響，而且由于免去了巨大的錨錠，降低了工程造價(jià)。采用自錨，將主纜錨固于加勁梁之上，相比同等跨徑的其他橋型，更有其特有的曲線線形，外觀優(yōu)雅，而且現(xiàn)代橋梁除了滿足自身的結(jié)構(gòu)要求外，也越來越注重景觀設(shè)計(jì)，其發(fā)展前途很大。自錨式懸索橋采用混凝土加勁梁，雖然增加了體系的自重，但也增加了體系的剛度，在一定的跨度允許范圍內(nèi)，使橋梁的安全性指標(biāo)、適用性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、美觀性指標(biāo)得到了完美的統(tǒng)一。對(duì)結(jié)構(gòu)受力而言，由于采用了自錨體系，將索錨固于主梁上，利用主梁來抵抗水平軸力，對(duì)于混凝土這種抗壓性能好的材料來說無疑是相當(dāng)于提供了。免費(fèi)的。預(yù)應(yīng)力。因此采用的是普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，節(jié)省了大量的預(yù)應(yīng)力器具，而且又由于混凝土材料相對(duì)于鋼材料的經(jīng)濟(jì)性，工程造價(jià)大大減少。但是由于混凝土的抗拉、彎的性能較差，所以對(duì)其進(jìn)行受力分析時(shí)應(yīng)綜合考慮這個(gè)特點(diǎn)。由于自錨式懸索橋的主纜拉力是傳遞給橋梁本身，而不是錨錠體，主纜拉力的水平分力在橋梁的上部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生壓力，如果兩端不受約束的話，其垂直分力將使橋梁的兩端產(chǎn)生上拔力。例如金石灘懸索橋橋采用了兩種辦法來抵抗這種上拔力：一是在錨塊處設(shè)置拉壓支座；二是在主橋和引橋的交接處設(shè)置牛腿，從而將引橋的重量壓在主梁上。4受力特點(diǎn)懸索橋的上部結(jié)構(gòu)包括：主梁、主纜、吊桿、主塔四部分。傳力路徑為：橋面重量、車輛荷載等豎向荷載通過吊桿傳至主纜承受，主纜承受拉力，而主纜錨固在梁端，將水平力傳遞給主梁。由于懸索橋水平力的大小與主纜的矢跨比有關(guān)，所以可以通過矢跨比的調(diào)整來調(diào)節(jié)主梁內(nèi)水平力的大小，一般來講，跨度較大時(shí)，可以適當(dāng)增加其矢跨比，以減小主梁內(nèi)的壓力，跨度較小時(shí)，可以適當(dāng)減小其矢跨比，使混凝土主梁內(nèi)的預(yù)壓力適當(dāng)提高。由于主纜在塔頂錨固，為了盡量減少主塔承受的水平力，必須保證邊跨主纜內(nèi)的水平力與中跨主纜產(chǎn)生的水平力基本相等，這可以通過合理的跨徑比來調(diào)節(jié)，也可以通過改變主纜的線形來調(diào)節(jié)。另外，自錨式懸索橋中的恒載由主纜來承受，而活載還需要由主梁來承受。5施工方法1919年，奧肖內(nèi)西請(qǐng)求美國(guó)海岸和大地測(cè)量部門勘探金門海峽底部的巖石情況，1920年5月調(diào)查完成。奧肖內(nèi)西將調(diào)查結(jié)果分別寄給三位著名的工程師問詢建橋的可能性及方案。1921年6月28日，施特勞斯完成并提交了設(shè)計(jì)方案——混合懸臂吊橋的結(jié)構(gòu)，即利用懸臂原理，將兩端寬大的懸臂結(jié)構(gòu)與中部的懸索結(jié)構(gòu)相連接。在他看來，“純粹的懸臂結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致橋梁的自身重量過大，而純粹的大跨度懸索結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致橋梁缺少必要的剛性，并且存在可行性低及費(fèi)用較高的問題，兩者的有效混合不僅能很好地取長(zhǎng)避短，而且費(fèi)用不高”。由于斯特勞斯缺乏設(shè)計(jì)建造大跨徑橋梁的經(jīng)驗(yàn)，為確保橋梁方案的穩(wěn)妥性，他在提交方案之前，特意征詢了他的同事——來自伊利諾斯州和紐約的三名工程師的意見，橋梁結(jié)構(gòu)的合理性得到肯定。懸索橋的施工順序主要是錨碇、橋墩、橋塔的建造，主纜的紡織與架設(shè)及橋面的鋪設(shè)及澆筑等。由于懸索橋的建造在美國(guó)已經(jīng)有40余年的歷史，使其在工藝上有一定的模式可循。但是，金門海峽獨(dú)特的地形條件使其有別于以往懸索橋的施工過程，特別體現(xiàn)在南部橋墩的建造中。由于金門大橋位于海灣入口處，潮水的沖擊力比較大，除此之外，橋梁史上尚沒有在海灣入?？诮ㄔ鞓蛄旱慕?jīng)驗(yàn)?？量痰淖匀粭l件及缺乏海灣入?？诘氖┕そ?jīng)驗(yàn)，增大了施工的難度及風(fēng)險(xiǎn)。由于南部橋墩的位置距離南部海岸較遠(yuǎn)，在建造圍堰結(jié)構(gòu)前，需建造一個(gè)400m左右長(zhǎng)的鋼鐵棧橋支架，從海岸伸出延續(xù)到南部橋墩的選址處。計(jì)劃最初進(jìn)行的很順利。但是，1933年8月，在棧橋結(jié)構(gòu)即將竣工時(shí)，濃霧中駛來的船只撞毀了91m長(zhǎng)的鋼鐵棧橋支架，橋墩也在此次猛烈的撞擊中出現(xiàn)問題。1933年10月31日，當(dāng)晚突如其來的風(fēng)暴又將剩余244m長(zhǎng)的支架刮散，最終，南部棧橋結(jié)構(gòu)在暴風(fēng)中瓦解。鑒于有限的時(shí)間與材料，工程師團(tuán)隊(duì)不得不重新調(diào)整施工的技術(shù)和方法。開鑿洞穴以樹立棧橋結(jié)構(gòu)的通常做法是在巖石上鉆出小洞，然后往里填充炸藥，使其巖石松動(dòng)。然而由于在開放水域，普通的開鑿方法不能被采用，而且海底巖層是蛇紋石，錳材質(zhì)的挖掘機(jī)不能撼動(dòng)海底巖層進(jìn)行挖掘工作。為選擇合適的工藝來樹立棧橋支架，施工團(tuán)隊(duì)絞盡腦汁，最終選擇鐵管爆破工藝，即通過往鋼管里填充炸藥并使其垂直沉入海底相應(yīng)位置，進(jìn)行爆破。棧橋最初采用鋼鐵支架結(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)構(gòu)在風(fēng)暴中被刮散，此時(shí)再去重新鑄造、組裝鋼鐵結(jié)構(gòu)將會(huì)嚴(yán)重影響工程的進(jìn)度。工程組決定新棧橋的結(jié)構(gòu)不再采用鋼鐵結(jié)構(gòu)，而是用圓滾滾的木樁結(jié)構(gòu)取而代之。選擇木樁結(jié)構(gòu)不僅在于其能快速準(zhǔn)備就位，而且它在面對(duì)洶涌潮水沖擊的時(shí)候，圓滾滾的結(jié)構(gòu)比“I”結(jié)構(gòu)受到的沖擊更小。為了方便行走，棧橋的高度為高于水面5英尺。該結(jié)構(gòu)于1934年3月8日竣工。木棧橋支架完成后，按照原計(jì)劃，應(yīng)采用沉箱法以建造深度為65英尺的圍堰結(jié)構(gòu)，進(jìn)而建造南部橋墩。但是鋼鐵棧橋結(jié)構(gòu)被海潮刮散的事故使斯特勞斯等工程師進(jìn)一步領(lǐng)教了該水域強(qiáng)大的海潮破壞力。為了增加在建橋墩的穩(wěn)固性，斯特勞斯決定變更圍堰的深度，將其65英尺加深為100英尺。后來，決定放棄沉箱法，選擇直接用混凝土澆筑圍堰，即用混凝土圍堰擋水，待圍堰內(nèi)水抽干后澆筑基礎(chǔ)混凝土，再做混凝土墩臺(tái)。1934年3月22日，高矽土材質(zhì)的水泥傾注其中，并嵌入南部橋塔結(jié)構(gòu)，南部橋墩于1935年末完成。最終，由于施工階段的種種磨難，南部橋墩的建造超過了預(yù)計(jì)的工程進(jìn)度，但是迫于工期壓力所做的施工工藝創(chuàng)新，使其成功克服了技術(shù)壁壘。5創(chuàng)新點(diǎn)首先，公眾參與工程的必要性。公眾參與可能會(huì)在一定程度上延遲工程的動(dòng)工時(shí)間，甚至產(chǎn)生一系列不必要的麻煩。但是，對(duì)于能給城市經(jīng)濟(jì)帶來發(fā)展甚至需要公眾籌資并以財(cái)產(chǎn)作