玻璃棧橋比普通大橋的修建難在哪？

出品| 網易新聞

作者| 須臾千秋，清華大學土木工程博士

　　修一座大橋，需要滿足大橋使用者的哪些需求？

　　安全、耐用、經濟、美觀？這些已經遠遠不足以滿足現代人的口味了。現如今，大橋的需求清單的頂端還多了一條，那就是——

　　爽！

　　在湖南省張家界大峽谷，就有這樣一座讓人爽上天的大橋「雲天渡」。

　　雲天渡，寓意天橋合一，以渡天下之人。它的主跨長430米，橋面長375米，寬6米，橋面距谷底相對高度約300米。而最讓人震驚的是，「雲天渡」的整個橋面板，都是玻璃做的。人走在上面，腳下就是萬丈深淵，就問你怕不怕？

　　（透明的玻璃大橋）

（一）玻璃的大橋如何保障安全？

　　雲天渡大橋一建成，就迅速成為了遊客們追捧的熱點。除了觀景和通行，大橋上還設有蹦極、溜索等項目，橋上每天人滿為患，門票供不應求，原價138元的門票甚至一度被炒到了八百多元一張。

　　看著大橋上熙熙攘攘的人群，我們不禁心生憂慮：這玻璃的大橋能受得住這麼多人嗎？

　　當然受得住。

　　事實上，玻璃是一種質地非常堅硬的材料。即使是普通玻璃，它的硬度也往往會超過6，相比起來，不鏽鋼刀片的硬度只有5.5，而銅幣的硬度則只有4。因此，切割玻璃只能使用最堅硬的金剛石來進行。

　　然而，也正因為它過分堅硬，缺乏韌性，很多時候「寧折不彎」，才給人一種易碎的印象。

　　玻璃的堅硬，意味著它的抗壓能力很好。而玻璃的易碎，本質上是因為這種材料不抗拉，而彎折、碰撞、溫度變化都會在玻璃內部產生拉應力。

　　因此有科學家考慮，給玻璃施加一個預先的壓力，在玻璃受拉時，拉力需要先克服這個預先的壓力，隨後才會消耗材料本身的抗拉能力。比如玻璃本身的抗拉能力只有0.1噸，但預先給它施加了1噸的壓力，這樣就需要1.1噸的拉力才能將它拉斷。

　　鋼化玻璃就是利用這種「預應力」原理。將普通玻璃預先切割成所需形狀，再加熱至700℃，然後快速均勻地進行冷卻，這樣就可以在玻璃表面形成均勻的壓應力，而內部則形成張應力，使玻璃的抗彎和抗衝擊強度得以提高，強度可以達到普通退火玻璃的四倍以上，接近真正的鋼材，即使遭遇巨大壓力、撞擊、溫度變化，也很難被破壞。

　　雲天渡大橋的底板使用的是航空航天級別的鋼化玻璃。大橋的玻璃橋面將三層厚達15毫米的透明鋼化玻璃通過夾膠壓合在一起，三層玻璃的總厚度接近一部字典。

　　它們可以協同受力，但發生破壞時則互不干擾。即使其中的兩塊同時破碎（這樣的概率非常低），一塊玻璃也足以承擔行人的重量，人們還是可以安全地通過，隨後安全地更換玻璃。玻璃周邊與鋼結構接觸區域還設置有彈性橡膠墊塊，使得玻璃板與鋼鐵的加勁肋可以協同受力。

　　大橋還通過優化玻璃下方和側面彈性橡膠墊塊參數，保障玻璃結構在人群、溫度、風等荷載作用下具有足夠的間隙和變形協調能力，確保玻璃板只承受局部荷載，不會參與全橋結構的整體受力，被橋樑的鋼鐵結構擠碎。

　　此外，為避免極端大風情況下玻璃橋面因氣動升力脫離加勁梁，在每塊玻璃四邊中點位置還設置了固定件，約束玻璃結構的整體移動。說白了，玻璃地板看著嚇人，但它既不可能脫落，也不可能碎掉，安全性是大可不必擔心的。

　　（三層複合的鋼化玻璃）

（二）真正的危險不是玻璃，而是共振

　　從內行的角度看，什麼「一眼望不到底的峽谷」，「透明的玻璃地板」以及「看起來纖細的懸索」，這些可以看得到的「危險」早都被工程師們計算得十分精確，一點都不危險。真正的危險是普通人看不到的，那就是大橋的振動。

　　1906年，俄國軍隊在通過聖彼得堡附近的一座大橋時，由於齊步走而使大橋垮塌，造成了很大的傷亡。事實上，並非是大橋的質量不好，人走路造成的振動也並不大，但齊步走的頻率如果恰好和大橋的自振頻率相吻合，就會造成共振，大橋的振動就會逐漸累積直至垮塌。因此，各國軍隊在通過大橋時，都是嚴禁齊步走的。

　　雲天渡大橋上的行人當然不會商量好一起齊步走，但總會有偶然發生的齊步情況，對橋樑安全造成隱患。為避免行人齊步走，設計師在橋面上放置了72個玻璃球來遏制振動。這些玻璃球每個重達750公斤，它們擺放的位置不一，客觀上打亂了行人的步伐，起到遏制振動的效果。

　　（橋面上用於干擾齊步行進的玻璃球）

　　只靠干擾步行是不夠的，颳風下雨這樣的自然現象都有可能導致大橋的共振。懸索橋在力學上屬於柔性結構，容易因颳風發生振動。加之雲天渡大橋是一座步行橋，它的自重遠遠輕於公路橋樑，這使得它更容易發生振動。

　　從設計階段，工程師們就想到了這個問題。細心的讀者可以注意到，雲天渡大橋與普通懸索橋不同，它的懸索並非直上直下，而是傾斜向內的。這種橋型被稱作「空間索麵地錨式懸索橋」，是一種比一般垂直式懸索橋更輕盈，精度也更高的懸索橋形式。

　　（雲天渡大橋的平面布置）

　　普通的懸索橋，是在大橋兩側的橋塔上自然懸掛著兩條懸索，再將大橋通過拉杆吊在懸索上形成的。大橋「拉得不緊」，自振頻率較低，很容易在風雨的作用下發生振動。

　　而對於空間索麵地錨式懸索橋，懸索被施加了較大的預張力，並被橋面板向內拉緊。這樣的結構可供晃動的幅度遠小於垂直的懸索橋體系，不易受到風的驅動發生振動。

　　此外，張緊的懸索大大提高了結構自振頻率，與風雨的振動頻率錯開，防止了振動的發生。

　　我們可以簡單將大橋類比成琴弦。同樣一根琴弦，張得越緊，彈奏它產生的音調就會越高，這意味著它的振動頻率也就越高。

　　除了調節大橋的自振頻率外，大橋還同時採用了多種減震裝置來共同遏制橋樑在不同方向上的振動，其中包括對抗震動有奇效的電渦流阻尼器、水箱減震法及玻璃球振動阻尼，這一成果開創了橋樑建設的先河。

　　所謂玻璃球振動阻尼，又名調諧質量阻尼器（Tuned Mass Damper），簡稱TMD，就是剛剛提到的阻礙人齊步走的大玻璃球。其實，這些玻璃球阻尼還暗藏玄機，它們裡面設置有機關：鋼板彈簧和粘滯阻尼。在橋樑振動時，這些阻尼器內部就會跟著起到相反作用，產生遏制橋樑振動的作用力。

　　至於水箱減震法，則是在橋底下裝有四組大水箱，其在自然狀態下產生的波浪振動與橋體的振動不同步。當橋體出現共振時，這些不規律的振動就來「搗亂」，破壞橋樑的規律振動，進而能夠抵消橋體的晃動。

　　而電渦流阻尼器則更加神奇。它是中國工程院院士陳政清的發明，可以讓橋振動時的動力轉變為電流，轉化成熱量釋放出去。

　　（電渦流阻尼器）

　　在它們的共同配合下，體重輕盈的雲天渡大橋變得穩如磐石。

（三）特殊的懸索：既要最細，又要結實

　　雲天渡大橋是一座輕便的步行橋，因此懸索並不像一般的公路橋樑那麼粗。但由於其特殊的空間索麵布置，懸索被拉杆巨大的張力拉成了許許多多個直線段。

　　懸索的強度是否可以支撐？懸索與地面的錨固如何處理？施工中的懸索張拉和應力變化如何解決？這些都是工程師們需要考慮的問題。

（施工中的大橋）

　　不同於一般懸索橋的先板後纜式施工，雲天渡大橋採用了全新的先纜後板、主纜對拉法施工。

　　這種施工方法，顧名思義，就是在安裝橋板前，工程先將一對主纜相互牽拉，直接將懸索的線形調整到滿足要求，並在此基礎上精確安裝橋板和加勁梁。同時輔助以綜合測試儀，實時監測每根鋼絲的受力大小，調整其鬆緊程度，防止超限或張拉不足。

　　而主纜的錨固則採用了新型的防護塗裝體系，在長效保護鋼錨桿的同時，讓錨桿與錨體混凝土實現有效隔離，使錨固件具有了全壽命內免維護的耐久性，這在懸索橋中是不多見的。可以說這小小的一座玻璃棧橋，處處都是新科技。

結語

　　雲天渡大橋一經建成，就瞬間奪得了許多個世界第一：它是世界首座斜拉式高山峽谷玻璃橋、世界最高最長的玻璃橋、世界首座大張開量空間索麵懸索橋、世界首座超大跨度而沒有抗風纜的懸索橋……它的榮譽稱號多達12個，CNN將其列為世界上11座最壯觀的橋之一。

　　中國工程師卓越的技術將科幻的玻璃橋變成了現實。怎樣，有沒有興趣到這裡看看，再在橋面上的世界最高蹦極台蹦個極？

作為世界上認知度最高的標籤，中國製造（MadeinChina）正尋求戰略升級。「了不起的中國製造」專欄，力邀行業權威、資深玩家，呈現他們眼中的中國創新之路。

投稿請聯繫newsresearch_ntes@163.com，稿件一經刊用，將提供千字800元的稿酬。

——————————————

歡迎關注《了不起的中國製造》官方微博

歡迎關注《了不起的中國製造》網易號

編輯| 史文慧

推薦閱讀：