中國的地形堪稱地球表面最為複雜，我們最不缺的就是橋梁。

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）

（一）什麼橋是直的，什麼橋是彎的？

從理論上講，工程師們希望盡可能地将所有的橋都設計成直的。

原因很簡單，兩點之間線段最短，直的大橋不僅省材料、省人工，更關鍵的是省腦子啊。

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的，這樣可以盡可能地簡化受力，最大限度确保安全。

（一個典型的直橋受力）

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？

（跨海大橋不僅要彎，而且要彎出花來）

要知道“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超過三分鐘的連續直路，舒舒服服地開上一小會兒，總是要拐一下，避讓開什麼東西，或者幹脆什麼也沒有的時候也會轉彎。

這一方面是因為，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；而另一方面，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，可以十分有效地降低事故發生率。

（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）

（二）大橋的彎是怎麼來的？

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，也是很容易疲勞、很容易出事故的。光憑這一點，跨海大橋有點彎曲，從而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，其實遠不止這麼簡單，其中最重要的原因就是，海洋的底部并不像它的表面那樣平整，而是充滿了丘陵起伏。

受到海水和海洋生物的腐蝕後，海底的地質環境也會千奇百怪，有的地方是堅固的基岩，可以直接把橋墩架在上面；有的地方則是疏松的淤泥，需要打下深深的樁到幾十米以下的基岩上，橋墩才能穩固；有些地方則幹脆就是斷裂帶，根本就不能搭建任何建築物，更别說幾萬噸重、設計壽命120年的大橋了。

比如我們熟知的港珠澳大橋，海底就是深達幾十米的淤泥，我們看到的水面上粗粗短短的橋墩，其實在水面以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，早有工程師們仔仔細細地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，選好了大橋的路線。這條路線當然不太可能是直線，必定要東繞西繞。

這還不算完，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24小時不停地流動的，而且全年無休，這會持之以恒地對大橋造成沖擊，這種海浪沖擊遠遠大于普通橋梁，它的流動雖然有一定的規律可循，但卻來自多個方向。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水面以上不停地襲擾着大橋，面對這種來自四面八方的橫向力，直橋的抵抗能力很差，一定要彎橋才能更加穩定。

所以，把長度很長的跨海大橋，修建成一條彎曲的曲線，受到了自然和現實多種因素影響，這并不是在浪費建材。

（三）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。

扭矩的原理很簡單，但與彎矩耦合後，就會成為計算上非常令人頭疼的東西。

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。在有限元軟件發明之前，想要設計這樣一座彎橋可真的是會把工程師的頭算破的。

（扭矩的原理）

好在有了有限元，計算機會幫助工程師完成大橋的受力計算。

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，哪裡與哪裡的連接比較緊密，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可以比較精确地獲得了。

（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的整體的空間受力計算分析。

除了橫向力外，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。

由于彎橋的受力複雜，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也很高的箱形截面。

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，因此還會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）

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