第344期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读]《大跨度悬索桥》
（通讯员 邓辉）
讲座题目：透视新科技——大跨度悬索桥
主持人：段玉龙
做客嘉宾：张成东，中铁大桥勘测设计院高级工程师、武汉杨泗港大桥设计负责人。
郭亮，中科院力学所工程师。
讲座时间：2022年3月14日～3月20日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——大跨度悬索桥
讲座内容：
各位观众朋友，您好！欢迎收看《透视新科技》，我是主持人段玉龙。2019年10月8日，武汉杨泗港长江大桥正式通车，这也是武汉长江江面上的第十座大桥。这座大桥为何要采用悬索桥的建造模式，它又是如何实现一跨过江的呢？我们通过短片了解一下，杨泗港长江大桥横跨在武汉市汉阳区与武昌区的江面上，位于上游的白沙洲大桥和下游的鹦鹉洲大桥之间，全长4134.377米。桥梁的主跨为1700米，是目前世界上跨度最大的双层公路悬索桥。桥梁上层是城市快速路，双向6车道，下层是城市主干道，双向6车道，两侧还有非机动车道及人行观光道。这座大桥为何要采用悬索桥的建造模式，它又是如何实现一跨过江的呢？
今天做客演播室的二位嘉宾，分别是中铁大桥勘测设计院高级工程师、武汉杨泗港大桥设计负责人张成东，以及中科院力学所的工程师郭亮。欢迎二位！主持人好！张工，我们在刚才的短片当中所看到，杨泗港大桥采用的是悬索桥的建筑方式，您能不能跟我们说一下悬索桥的结构。悬索桥主要是由五个部分组成，主缆、主塔、锚碇、吊索，还有加劲梁。悬索桥主缆，我们看到这个黄色的线条，这是大桥的一个主缆结构，它也是我们悬索桥的一个生命线。而且这个大桥的主缆，是在设计寿命期内，是不可以更换的。这个竖向是主塔，它的主要作用就是把主缆的力传递给地基。这个就是我们的一个锚碇，虽然我们看不到它，但是它在地基下边，它的体量是非常大，它的主要作用就是把我们的主缆的端部的力，牢牢地把它锚在这个地基上面。我们看到的这个竖向的，一条一条的这个，就是我们悬索桥的吊索，它的主要作用就是把我主梁的桥面荷载，主梁的荷载传递给主缆，是这么一个作用。然后，吊索下面的这一个长条，就是我们所谓的桥面，桥面它主要是由加劲梁，就是我们底下这个梁组成加劲梁。它主要是承担，比如说我们汽车、火车，还有人行，它的受力，就是从主梁到吊索，然后经过主缆传递给主塔还有锚碇。
郭亮，我们如何来解释悬索桥拥有如此大的跨度。大家经常看到我们说桥会有桥墩，所以桥墩一般就起到中间那个支撑的作用，所以我们经常说大跨度指的是我不希望下面多次出现桥墩，那么这样的话，让底下的船可以轻松地通航，那么后来我们很聪明，工程师发明了这种所谓的悬索桥，它将支撑的桥墩放在了上面，那么就是刚才张总所说到的主缆。那么，主缆和悬索之间，相当于一种，我们老百姓经常说的晾衣服杆一样，大家可以想象，我们平时杵（立）两个杆子之后，中间一个绳子去晾衣服，当你挂的这个衣服非常沉的时候，这个晾衣绳就一定是弯曲的。那么这个时候，其实底下每一个（件）湿的衣服，都会使这个晾衣绳有一个向下的力，那么这些力我们回到桥上，其实就是我们用这个晾衣绳，将整个桥上的载荷兜了起来，你可以想象，我拿着这个晾衣绳的两端往起拎，那么这些衣服就都跟着我一起起来了。那么只要我拎的这个重量，能够让底下的桥上面汽车轻松通过，而不会把这个（座）桥压塌，那么这个时候，这个（座）桥就起了作用，所以靠的是刚才张总说的各种各样的机构，我们起到了一个分布力的作用，最终的目的是使这个桥它能够平稳地，支撑这些汽车和人的重量，实现了在没有桥墩的情况下，它的一个跨越距离很长的一个情况，所以这个时候我们一般选用悬索桥等其他这种无桥墩或者少桥墩的设计。
刚才张工跟我们分享到悬索桥有五个元素，那么在这五个元素当中，从力学的角度来讲，谁的受力点最大，谁在其中起到相对更重要的作用？这个问题您问得特别好，这个事儿我还是拿晾衣绳来解释，其实大家就特别好理解了，吊索其实就是一件一件的衣服。那么一件一件的衣服，它其实起到作用就是整个这个桥面，多少分之一的一个力量，它把它吊起来，那么其实它只承担了一部分力量，那么这些力量全传递到哪儿了，全传递到弯曲的，叫主缆上面，也就是我们刚才说的这个晾衣绳。那么，这个晾衣绳，它是能够承受所谓的拉力，但这个力量去哪儿了？大家都有这个生活经验，如果衣服挂得特别多的时候，什么东西容易压坏？旁边的支架。对。就是我们晾衣绳这两个架子，你会发现它会向里面去偏。那么这个时候，重要的受力点就在这个位置，那么这个我们叫主塔，主塔这个地方其实承受的是垂直向上的力，它把这个晾衣绳的力量垂直向上，那么靠这个地基来分解掉了，同时如果你只有主塔，这个主塔一定会向中间去弯。大家都晾过衣服，所以这个时候我们的工程师非常聪明，在后面拽了一下这个晾衣绳，那么，晾衣绳下面我们放了两个我们叫锚碇。那么这个锚碇其实就起到了一个我帮你拽晾衣绳的作用，特别类似于大家去看这个拔河比赛，我们两个拔河，那么成年人拔河的时候，一定会找一个小胖子在后边拿绳子缠到自己的身上，往地上一坐，你想拔动我，不光要使劲，你还要把我这个小胖子连人带整个绳子全拽走，那么这个就是所谓的锚碇。所以真正的吃力的部位，一个是主塔，一个是后面这个锚碇。
张工，那是否就意味着悬索桥的桥面，是被主缆悬挂在上面的，只要这个力量足够的话，桥面是没有问题的。我不仅要保证主缆的受力安全，另外我的主塔，还有锚碇等主要的传力节点，我要保证它的受力安全。通俗来讲，它是一条力线上面的，所以这一块每一个点，从主粮到吊索，传到主缆，传到主塔，传到地基，传到锚碇，这样的话就一条线，它每一个节点，都要受力安全，这样才行。另外一方面就是说，并不是说我把我这个缆，还有这些梁，包括我吊索设计好，把它强度满足要求，或者是受力满足要求就可以，还有很多的一些受力构件的细节也非常重要。具体来说，这些细节都有什么？细节就是比如很简单的，吊索跟主梁，还有缆的一个连接的构造，桥梁受力的时候，包括上面有车的时候，就会有很多的震动，还有包括会转动。这样的话，这一块设计不好的话，它经常磨损，磨损，它就磨掉了。另外一方面，就是说我的很多的主缆的锚固在地基里面的锚杆这一块，因为那个地方是在地底下，非常潮湿。所以这块，我把它包起来，保持它在一个潮湿的环境里面，100年之内不会生锈，这都是细节设计。所以这些细节设计好了以后，对桥梁的使用寿命，不仅100年，可能100年过后，体检一（看），它可能还能用50年，我可以继续再使用，大概是这样的。所以，细节是非常重要的。
各种设计元素，包括其中的细节，都已经做到十分完美，悬索桥的跨度最长可以做多长？悬索桥目前来讲的话，我们从桥梁的（跨度来讲），如果是跨度达到600米的，我们悬殊桥具有一定的经济和一些技术优势。如果跨度达到了1200米以上的话，悬索桥的优势就非常明显，然后如果是达到2000米以上的话，那可能只能做悬索桥这个方案了，或者是缆索桥梁这个方案了，我们目前也在研究2000米到3000米（跨度）桥梁的方案。我国桥梁建设的历史悠久，各种桥梁也非常多，根据桥梁不同的受力构件，可分为梁式桥、拱式桥、刚架桥、斜拉桥、悬索桥五大类。1999年通车的江苏江阴长江大桥，主跨1385米。2019年，湖南岳阳杭瑞高速洞庭湖大桥主跨1480米。随着桥梁的单跨度一次次被刷新，悬索桥这种桥型被越来越多地应用，在桥梁设计、建设领域，悬索桥跨度的极限会不断被打破吗？那问问郭亮，究竟是什么样的一些因素决定了悬索桥的极限呢？
我们说现在影响桥梁做大跨度，最大的问题，其实主要还是体现在材料和工艺这两个方面，那我们说这个传力最重要的其实就是那根绳子，也就是所谓的主缆。那么主缆，当你这些力量越来越大，越来越大，跨度越长，载荷越大，速度越快的时候，那么这个时候主缆一定有一个极限寿命的，我们已经找了好多好多的方法去加固这个主揽，同时提高主缆的强度，这个抗拉的能力。但是你要再加跨度，这个会呈几何级的往上增加强度的需求，那么当这个强度超过了材料的极限，这个桥可能就垮塌了。所以我们说如果想增加桥的跨度的极限的话，最主要的其实是提高材料的抗拉的一个强度。那么未来没准我们可能找到一种特别理想的材料，我们的跨度可能现在的1700米就已经不再是极限了，3000米、5000米，甚至10000米，可能都有可能。刚才我们既然已经提到了1700米的这个大跨度，杨泗港长江大桥的1700米的这个跨度是如何确定下来的？
我们桥梁桥型的选择，是取决于我们桥的跨度的大小。桥梁跨度的大小，其实主要由我们桥址的地形，包括通航还有防洪条件，由这三个原因决定的。比如说我们修长江大桥的时候，在长江修大桥的时候，因为我们长江是我们内河里最重要的黄金航道。所以说我们在修桥的时候，首先要保证孔跨的布置，就是桥墩不能放在通航的航道范围内，就谈到我们杨泗港大桥是怎么确定跨度的。因为我们前期在大桥桥址勘测的时候，我们江面有2.2公里（千米）。我们一开始以为，我们这个地方的桥址的水深，包括我的河床断面是中间深的，两边浅的，是一个U字形的。但是后来我们，实际在勘测的过程中发现，其实这个桥址断面并不是这样的，是呈一个W形的，是两边较深，中间较浅。所以这样的话，我两边桥址的这一块，是有两个深水的航道，一个主航道，一个辅航道。所以我们一开始在做这个方案的时候，在我们桥的下游不远处，就有一个潜洲。相当于那个潜洲，在枯水的时候它是露出水面的。如果我这个地方放墩子的话，因为桥墩很大，水流一来冲刷的时候，就会慢慢地把这个潜洲冲掉了。一冲掉以后，下游的航道跟河道就会发生变化，一变化的话，因为我下游不远处就是武汉长江大桥。武汉桥的跨度并不是很大，我们是1957年修的，跨度并不是很大，它的航道很多都是固定的，你如果航道变化的话，它这个就相当于说它这个船就不知道往哪边走，它不停在变，就不知道往哪边走了，所以这个中间是不能放墩子的。所以说这1700米的跨度，实际上是各种自然条件，以及其他的客观条件的存在所逼出来的一个桥型。对，对。
那么这样的桥型，我们已经确定了，必须要采用的是直接跨越江面的这种设计，那么在建造的过程当中，从力学的角度来讲，这个难度又提升了多少？第一我们先要打地基，把两边的地基打好，不管是主塔的，还是锚碇的，那么都把它打好了之后，我们在上面吊上这个主缆。那么主揽一旦吊成了之后，相当于我的晾衣杆就绪，晾衣杆就绪了之后，我就开始进行一个一个吊索。吊索做好了之后，最后我再把这个路面铺上，但是在整个作业的过程中，大家可以想象，底下的这个通航，还依然在现实存在着，你并没有影响到下面的通航，那你所有的机械的作业，全都是在高空去作业，那么大家可以想象，它没有一个支撑，那么你接着往前，虽然你是上面已经吊成了主缆，但是依然施工的难度要比你有墩子，有着力点，要难度大得多得多。尤其像当跨度特别大的时候，我们说还有一些精准定位，以及互相拼接等等，从工艺上，甚至我们从检验上，我得知道它到底是对准了之后，里面有没有所谓的预应力，换句话我们老百姓说的是，你把它装配起来之后，它是不是装得很顺，它有没有这个别着劲的。如果有了别着劲，你想当车在长期走的时候，你这个别着劲这个力，最后一定会释放出来，那么很有可能会变成裂纹或者松动。那么这个一定会对桥的寿命造成很大的影响。所以在我们施工的过程中，一定要考虑这些因素，那你一定要把这个在没有墩子，没有着力点的情况下，把它做成非常精准，那么这个难度其实就体现在了这。
如此高的难度，我们都已经是成功地跨越了。那么，接下来还有一个问题，这是一个难上加难的问题，杨泗港长江大桥选择的是上下两层的建筑方式，为什么要选上下两层呢？张工。其实我们杨泗港大桥是双向12车道，按照道理来讲的话，是可以实现一层，就是一层12车道，从受力上是没有问题的。但是，我们这个桥梁的建设，还是要为交通服务，为老百姓服务。所以这一块，就是说让交通更便捷，这是我们桥梁设计的一个宗旨。我们为什么去选用双层的布置，而不是用单层的。因为首先我们从城市的规划，还有用地的方面考虑的话，如果我用单层12车道的话，那相对来说，我的红线就非常宽，达到60米到70米。这样的话，就跟我的城市规划，就是要突破这个红线的界限，而且城市的用地非常紧张，这一块，如果用双层的话，可以减少一半（用地），就不会突破红线。另一方面，桥的两端都是高架桥，所以这一块要采用双层的话，我就很好地跟高架桥，还有地面两边一个对接，上层走高架，下层走地面道路，这样就是一个非常好的交通。另外方面，就是说采用双层，它可以容纳更多的交通量，更多的交通功能，比如我在双层的下层，或者上层、两边，可以设置一个电动车道，还有人行道或者是观光道，这一块我就更容易实现一点。另外一方面，双层桥我用那个桥梁结构，它对我这个大桥的抗风是非常有好处的。所以这也是这几条，我们为什么采用双层的一个主要原因。嗯，原本是要做一个大平层，但是为了和城市的各种交通进行完美的对接，最后变成了上下两层，那么从力学的角度上来讲，郭亮，这样的改变，对于施工难度是会有什么样的增加吗？
不管是主缆也好，还是吊索也好，那么现在做成两层的，它跟一层的唯一的区别就在于，它一旦有了高度差之后，除了它本身的重量并没有减少，它跟十二车道的是一样的，承载是一样的，但是它有了一个台阶，那么这个台阶的话，你会在一层对二层有影响吗？那一定是有影响的。我们住过楼房，大家都知道，你修一层和二层的楼板，以及装修的方式，受力的方式，你都要考虑相互作用，这个相互作用在这里边就变成个新的一个变量，如果对于一个材料，材料如果有一定厚度的时候，当它弯的时候，你会发现材料当有厚度的时候，一旦弯了，大家可以想象一个香蕉，香蕉如果原来是直的，现在变弯了之后，你会发现上面那个面。那么，其实它的局部作用点是往里压的，而下面那个面其实是被拉开的，它其实是向两侧是一个拉的一个力量，那么其实上层受压，下层受拉。那么整个这个桥，要考虑这个厚度方面，你就要考虑材料了，那这个时候你变成两层了，两层的时候，那么对于第一层来说，它其实既有拉还有压，所以你整个这个计算每一个部分给它的作用的百分比都不一样，那你要去很好地调好、配平，你才能设计出一个双层都安稳，都安全的这样一个设计的结果。所以这个就是我们说难度其实要比做大平层难得多得多。
张工，刚才提到了杨泗港大桥在设计当中,还有一个标准是要抗19级风。抗19级风的标准，是因为上下两层桥面的设计，还是说跟其他的一些因素的关系呢？之前（1940）年的时候，美国有一个悬浮桥叫塔科马桥，它是因为风振，抗风的性能不行，风振就直接吹垮了，这个梁掉到下面去了，吹垮了。这个就是给后来的桥梁工程师提了一个醒，对悬索桥的抗风非常重视。1940年，美国塔科马悬索桥在建成通车4个月后，就遭遇了一场大风，大桥在风中像面条一样扭动起来，并最终垮塌。这一事故给后来的桥梁工程师提了一个醒，对悬索桥的抗风能力要非常的重视，那么，工程设计人员，该做些什么，让悬索桥更抗风呢。就是我们杨泗港桥在做的时候，不但用桁梁，而且我这个桁梁上面还做了很多的措施，包括把上面的桥面板加长，包括我的人行道抬高，这一块都对抗风非常有好处。所以，我们在学校做科研，做试验的时候，就用全场模型，把它按比例缩小，缩小完以后用风来吹，等效风来吹，吹出来的结果大概能够达到90到100米每秒的风速。这样相当于说，它那个风速按照级数来讲，已经超过了19级风了。所以这一块说明，我们桥梁的抗风性能是非常好，所以也是由于我们采用了双层的结构，所以抗风才会这么好。
采用了双层结构，包括刚才所提到的桁架，这种建造方式，以及这种结构的选取，对于抗风而言，从力学的角度来讲，优势表现在哪里？风吹过来的这个频率，也就是引起扰动的频率，刚好跟桥的固有频率一致了，那么这个桥就塌了。所以现在我们在做桥梁设计的时候，工程师都了解到这一点，所以一定会尽量地调整这个桥的固有频率，那么这个时候就不会产生共振，所以第一个我们就预防到了，但是还有第二个，大家都知道，当风特别大的时候，会有一个迎风面，桥也会有迎风面。风又很大的时候，它给你很大的一个力，这个力一旦超过桥本身的承受能力，那么，桥可能也会发生危险。那么，我们现在把单层的变成双层的之后，我们会发现好多空气动力学的因素，我们就提高进去了。比如说咱们举一个最简单的例子，张总他们设计这个桥，甚至还会设计一些孔洞，那么这些孔洞其实起到什么作用，让这个风能够自由地通过这个桥面。我们使用双层桥的话，我们采用桁梁结构，它那个杆件有竖的、有斜的，它是不规则的，所以风吹过去以后，它的尾流频率都不一样。所以为什么桁梁是很难发生，像塔科马桥那样的一个共振现象与破坏性，我们叫桥梁的颤振破坏，就不会产生这种情况，这也是最主要的原因。因为它的杆件，可以把空气、风，把它吹过来的打乱，把它打乱，它就不会产生整齐划一的，就好像我们齐步走，正步走这样的一个效果。所以它就不会产生破坏性的颤振现象，也不会导致我们悬索桥的破坏，这也是我们这个最主要的原因。这其中也是有很多的创新，除了我们刚才讲到的这些创新点之外，杨泗港大桥还有哪些创新点？
我们大桥的一个主缆钢丝，是用超大直径高强钢丝，这个钢丝就是说，它的直径达到6.2毫米，抗拉强度达到1960兆帕，目前来讲的话，是国际上品质最好的钢丝，最重要的事情是什么呢？这个钢丝全部采用国产材料，我的结构是最新的，最新结构。首先我是全部采用全焊设计，就是我主桁杆件，是采用全焊设计，是没有一个拼接板还有螺栓的。另一方面，我依靠桥址附近的有一个制造厂，采用了大节段，三十六米一个节段，进行的大节段制造。然后，这样就是说，它外形非常简约、简洁，既节省了一个用钢量，也节省了工程投资。然后就是工期是最短的，最短工期，为什么这样说呢？就是说我们国外的悬索桥，这么大体量的悬索桥，一般它是要8到9年，甚至10年的时间，我们只用了四年半，就把它修好了。另一方面，我这个主梁1700米这么长的一个主梁，我只用了36天，就把它全部地安装完了。还有大桥的主缆，我1.1米粗的一个主缆，里边有542跟索股，每根索股大概是8厘米左右。这么多索股的话，我用82天全部把它架设完，这个世界上面应该来讲是没有过的，也刷新了世界纪录，大概是这些亮点和特点。您讲到有最快的建造速度，最新的设计结构，最全的功能，还有最大的跨度，这就是杨泗港长江大桥的优点和特点。对。
这样的一座长江大桥，在建成之后，你觉得对于其他的悬索桥的建设而言，有什么样的工程方面的意义吗？我们这个桥在做的整个过程中，无论是考虑了经济学的因素，还是考虑了民生的，以及考虑了上下航通航的各种各样的复杂因素，最后选择了一个我们认为最优的一种方式，能够通车，能够安稳地、平稳地运行。那么我们在整个过程中，收获的是满满的工程的经验和工程的累（积），所以杨泗港大桥，我们说它的竣工以及工程的完美收官，都对于我们下一个或者下十个，下百个桥，起到一个非常重要的一个奠基的作用。那我们为今后的更多大跨度，创新性的这种悬索桥提供了很好的、宝贵的工程经验，所以说杨泗港大桥从工程的角度来讲是一个非常棒的起点，未来还会有更多优质的大桥出现在我们面前。那换一个角度，站在社会的层面，以及老百姓的层面而言，杨泗港大桥的意义又是什么呢？首先是从它的一个经济价值来讲的话，对促进武汉的城市一体化，包括一些对实现快速高质量发展，是非常有重要意义。另一方面，从社会价值来讲的话，在杨泗港大桥修建的时候，他（老百姓）就给我们提了很多很多的建议，很多很多的建议，当然有的建议还是非常好的。大桥通车了以后，老百姓对这个桥也非常的认可，所以说这也是对我们桥梁建设者的一个认可。不但江面上有十座大桥，在每个武汉人的心里各有一座大桥。好，感谢二位专家，给我们带来有关杨泗港大桥的精彩解读，也感谢电视机前各位观众朋友的收看。本期《透视新科技》就到这里结束了，下一期再见。
