不知道你有沒有發現

我國橋梁具有多樣性~

它們有的跨河，有的跨海

有的跨越山谷，有的跨越鐵路

如果你仔細觀察還會發現

它們有的是直的，有的卻是彎的

這是怎麼一回事呢？

這是跨越峽谷的北盤江大橋，它是直的 ↑

這是跨海的港珠澳大橋，它是彎的 ↑

1 為什麼橋有直有彎？

從理論上講，工程師們希望盡可能地将所有橋梁都設計成直的。原因很簡單，兩點之間線段最短，直的大橋省材料、省人工。

相比起受力簡單、基本屬于平面受力結構的直橋，彎橋的受力要複雜許多倍。彎矩、扭矩、彎扭聯合作用，使得彎橋的受力令人難以捉摸，計算和設計都變得十分複雜。

因此，對于那些比較短的大橋，尤其是跨河、跨谷的單跨部分，工程師們都是盡可能地讓它們保持直線，這樣可以簡化受力，最大限度确保安全。

典型的直橋受力

可是跨海大橋就不同了。它的橋長動辄幾十公裡，比如我們所熟知的港珠澳大橋，主橋長55千米；東海大橋，長32.5千米；日本濑戶大橋，長37.3千米……所有這些跨海大橋，就沒有一條是直的，這是為什麼呢？

想知道“跨海大橋為什麼是彎的”，我們可以先從“公路為什麼是彎的”開始講起。開在高速公路上時，我們一定會發現，無論你怎麼開，前方的道路永遠不會出現連續直路，總是要拐一下，避讓什麼東西，或者幹脆什麼也沒有的時候也會轉彎。

一方面，是因為陸地上難免會有些丘陵起伏，最好的辦法就是讓我們的道路稍微拐拐繞過它們；另一方面，長時間的直線駕駛會令駕駛員迅速疲勞，釀成事故。

因此，即使是幾十公裡的大平原，工程師們也會故意将道路設計得拐上幾個彎，讓司機動動手、動動腦，降低事故發生率。

高速公路往往隔三岔五就要拐個彎，不知道你有沒有注意到

2 彎是怎麼來的？

與那些隻有一兩公裡長的河上“小橋”不同，動辄三五十公裡的跨海大橋，本質上也是一條高速公路。司機在上面開車，如果不去隔三岔五地拐幾個彎，也是很容易出現疲勞的。因此，跨海大橋有點彎曲，引導駕駛員的視線來避免視覺疲勞和精神懈怠，這也是很正常的。

但跨海大橋的彎曲，遠不止這麼簡單，其中最重要的原因是，海洋的底部并不像表面那樣平整，而是充滿了起伏的丘陵。

受到海水和海洋生物的腐蝕後，海底呈現各種各樣的地質環境，有的地方是堅固的基岩，可以直接把橋墩架在上面；有的地方是疏松的淤泥，需要打深樁到幾十米以下的基岩上，橋墩才能穩固；有些地方則是斷裂帶，根本、不能搭建任何建築物，更别說承載幾萬噸重、設計壽命120年的大橋了。

我們熟知的港珠澳大橋，就是把樁打進淤泥之下的幾十米基岩中，水面上粗粗短短的橋墩，其實在水下宛如一根根定海神針。

港珠澳大橋的橋墩貌似粗短

所以在大橋架設前，早有工程師們仔細研究了附近海底的地質結構，巧妙地避開了一切不适合建造大橋的地質環境，選好大橋的路線。

此外，大橋的布線還要考慮到最重要的一點：海洋中的洋流和海流。

在海洋中，海水是全年無休24小時不停地流動的，這就會對大橋造成沖擊。海水的流動雖然有規律可循，但卻來自多個方向，大橋受到的海浪沖擊遠大于普通橋梁。通過設計S型曲線，能讓水流通過引導減少對橋梁造成的傷害。 此外，還有反複無常的台風在海面上襲擾大橋，面對這種來自四面八方的橫向力，直橋的抵抗能力很差，彎橋才能更加穩定。

所以，受到了自然和現實諸多因素影響，需要把長度很長的跨海大橋，修建成一條彎曲的曲線。

3 彎橋要怎麼修才好？

扭矩的存在，是彎橋與直橋受力最大的不同點。

什麼是扭矩呢？舉個簡單的例子，當你扭轉一個門把手時，其實就是對它施加了扭矩。

彎曲的梁在荷載的作用下會同時産生彎矩和扭矩，并且相互影響，使梁截面處于彎扭耦合作用的狀态，其截面主拉應力往往比相應的直梁橋大得多。這是曲梁獨有的受力特點，尤其是放大到了梁端，還會出現翹曲、位移等變形，對于橋梁安全的危害很大。

因此，彎橋的受力必須經過妥善而精密的計算。好在有了有限元，計算機可幫助工程師完成大橋的受力計算。

扭矩的原理

簡單地說，有限元就是近似地将你想要設計的大橋分成若幹個小塊，再設定好邊界條件。比如，大橋哪裡受到了約束，哪個部位之間的連接比較緊密，再把大橋所受到的荷載，包括自重、車輛壓力、風荷載和地震荷載加上去，計算這些小塊各自的受力，就可以近似地得到整個大橋的受力。

這樣一來，整個彎橋的受力情況就比較精确了。

橋梁的有限元

與直橋不同，彎橋的橋梁受力會與橋墩台形成耦合。彎橋下部結構墩頂水平力，除了與直橋一樣有制動力、溫度變化引起的内力、地震力等外，還存在離心力和預應力張拉産生的徑向力。

因此，在曲線橋梁結構的設計中，應該對整個結構進行全面且整體的空間受力計算分析。

除了橫向力外，工程師還必須對其在承受縱向彎曲、扭轉和翹曲作用下，結合自重、預應力和汽車活載等荷載進行詳細的受力分析，充分考慮其結構的空間受力特點，才能得到安全可靠的結構設計。

彎橋的受力複雜，除了彎矩和扭矩聯合作用外，拐彎内側梁和外側梁的受力也不均勻。為了抵抗梁截面的彎矩和扭矩，故而在彎梁橋設計中多采用橫向強度很高的箱形截面。

由于橋面超高，加之為了滿足梁體受扭時外邊梁受力較大的強度需要，還需要在橋梁橫向将各主梁布置做成不同的梁高。在配筋設計上，也要考慮這種扭矩，在腹闆側面布置較多受力鋼筋，并且配置許多抗扭鋼筋。

彎橋的工程實踐中經常采用的箱型截面

來源：智慧交通館、廣東交通公衆号

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