自從金門大橋于1937年5月27日通車以來，它一直是美國風(fēng)景中的一個(gè)標(biāo)志性符號(hào)。

到1870年，人們已經(jīng)意識(shí)到建造一座橫跨金門海峽的大橋以連接舊金山市和馬林縣的必要性。然而，又過了半個(gè)世紀(jì)，結(jié)構(gòu)工程師約瑟夫·施特勞斯才提交了他的建橋方案。計(jì)劃不斷演變，最終的項(xiàng)目被批準(zhǔn)為一座懸索橋，最終花了四年多時(shí)間才建成。

當(dāng)金門大橋建成時(shí)，它有世界上最長的懸索橋跨度--鋼索在兩座塔之間支撐起路面，沒有中間支撐。而這一設(shè)置也有一些固有的挑戰(zhàn)。它在當(dāng)時(shí)花費(fèi)了大約一百萬美元；今天建造同樣的結(jié)構(gòu)將花費(fèi)大約十億美元。那么，在過去的80年里，這個(gè)設(shè)計(jì)是如何堅(jiān)持下來的--如果我們今天從頭開始，我們會(huì)采取不同的做法嗎？

金門大橋是一座懸索橋，這意味著它是依靠張力下的纜繩和吊索以及壓力下的塔架來跨越長距離，沒有任何中間支撐。路面懸掛在垂直的吊索上，吊索連接著兩根主纜，這兩根主纜在塔樓和端部的錨之間運(yùn)行。吊索將車輛的力量和自重轉(zhuǎn)移到錨定在塔架和堅(jiān)實(shí)地面上的支撐纜繩上。

這種類型的第一座橋可能是用柔性繩索連接兩個(gè)懸崖，以跨越山谷或河流。幾百年前，這些繩索是由植物纖維制成的；鐵鏈子是后來才出現(xiàn)的。紐約市的布魯克林大橋于1883年開放，是第一個(gè)使用鋼纜的大橋，后來成為標(biāo)準(zhǔn)。

橋塔開始時(shí)可能是在山谷兩邊的簡單巖石；最終工程師們使用了巨大的石頭或鋼制橋墩。例如，金門大橋是由兩端的一個(gè)橋墩和兩個(gè)塔樓支撐的，這兩個(gè)塔樓被放置在嵌入海底的地基上。

金門大橋的兩根支撐纜繩是自1937年大橋通車以來唯一沒有改變的東西。每條主纜由27,572根鋼絲組成，厚度約為一支鉛筆。施工人員將近80,000英里的鋼絲繩從橋的一邊掛到另一邊。

為了完成這項(xiàng)工作，幾乎不可能一氣呵成地制造一條沒有瑕疵的長而粗的纜繩。而且最關(guān)鍵的是，如果一根大纜繩支撐著大橋，而它發(fā)生了什么問題，就會(huì)出現(xiàn)災(zāi)難性的故障。依靠較小的纜繩意味著任何故障都會(huì)較慢，留下時(shí)間來轉(zhuǎn)移災(zāi)難。

自從人們第一次開始考慮在舊金山海灣建橋，人們就對(duì)該結(jié)構(gòu)能否承受該地的強(qiáng)風(fēng)、湍流和可能的地震力表示了極大的關(guān)注。舊金山位于兩個(gè)活躍的構(gòu)造板塊的交匯處--顯然沒有人希望看到地震使這座目前每天運(yùn)送約112,000輛汽車的大橋倒塌。

為了避免這個(gè)問題，建設(shè)者還在橋的兩端設(shè)置了減震器，以吸收來自風(fēng)力或地震力的能量。這些特別設(shè)計(jì)的減震器是由橡膠覆蓋的鉛芯制成的一米直徑的圓柱體。放置在戰(zhàn)略位置，它們吸收能量，否則可能導(dǎo)致橋梁倒塌。

傳統(tǒng)智慧認(rèn)為，一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目在其落成后不久就會(huì)結(jié)束。但保持金門大橋的最佳狀態(tài)需要持續(xù)的嚴(yán)格維護(hù)。80年來，專門的維修人員對(duì)大橋進(jìn)行了維修，重新粉刷，并在必要時(shí)替換被腐蝕或損壞的部件。

這項(xiàng)工作必須按照嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。例如，當(dāng)連接大橋各部分的數(shù)千個(gè)螺栓中的任何一個(gè)需要更換時(shí)，同時(shí)取出的螺栓不能超過兩個(gè)，以保證大橋在強(qiáng)風(fēng)或地震力下的安全。

也有結(jié)構(gòu)性維護(hù)問題。由于時(shí)間的流逝和持續(xù)的溫度變化，纜繩和吊索會(huì)拉長或收縮，需要定期檢查和重新拉緊。這種類型的調(diào)整被稱為 "調(diào)音"，類似于音樂家如何保持弦樂器的最佳音質(zhì)。

由于巨大的維護(hù)成本，一些人建議重建金門大橋，以限制持續(xù)的維護(hù)和運(yùn)營費(fèi)用。拋開政治上的可行性不談，如果工程師們今天要從頭開始建造這座橋，他們會(huì)如何設(shè)計(jì)？

隨著時(shí)間的推移，研究人員已經(jīng)開發(fā)出更輕的材料。使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）而不是鋼或混凝土是減少這種規(guī)模結(jié)構(gòu)重量的一種方法。這種自重通常負(fù)責(zé)使用其70%至80%的阻力--這是它在失效前所能承受的最大載荷。通過減重，橋梁的結(jié)構(gòu)將需要更少的強(qiáng)度，允許更便宜和更容易的選擇。

例如，設(shè)計(jì)師已經(jīng)開始在橋梁中使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP），如西弗吉尼亞州的市場街大橋。FRP使用塑料樹脂將玻璃或碳纖維結(jié)合在一起，使材料具有強(qiáng)度。由于比混凝土輕四倍，F(xiàn)RP的強(qiáng)度是五到六倍。

在替代金門大橋中，設(shè)計(jì)者的第一個(gè)目標(biāo)可能是改變纜繩的成分。目前使用的鋼材具有腐蝕性，比新材料重四倍，在惡劣的濕度和溫度環(huán)境中可能會(huì)失效--就像它在這個(gè)地方遇到的那些環(huán)境。碳纜的耐腐蝕性更強(qiáng)，已經(jīng)在世界各地使用。

這些比鋼更輕的材料也可用于橋梁的其他部分，如交通道路。使用塑料復(fù)合地板可以使金門大橋的橋面自重減少五倍。這將使工程師能夠設(shè)計(jì)和建造一座斜拉索橋，而不是一座懸索橋。這樣做的好處是可以取消吊索；在斜拉索橋上，力通過纜繩直接從橋面?zhèn)鞯綐蛩?。第一座使用CFRP纜繩的公路斜拉索橋是瑞士的Stork橋，于1996年開通。

斜拉索橋可以比懸索橋有更長的跨度，所以其支架和岸邊之間的結(jié)構(gòu)可以更簡單。另外，將塔架建在離岸邊較近的地方，那里的水床比較淺，這將有助于緩解金門大橋第一次建造時(shí)的一個(gè)主要問題。在水流湍急的深水中進(jìn)行塔基施工是非常困難和昂貴的。

阻尼系統(tǒng)也可以通過新的設(shè)計(jì)來解決。建造金門大橋時(shí)使用的基于鉛芯的阻尼器可以被更新的技術(shù)所取代，這些技術(shù)能夠更好地抵抗風(fēng)、交通和地震力。這種改進(jìn)將確保防止像塔科馬狹長橋那樣的故障——當(dāng)風(fēng)把橋吹向一邊時(shí)，產(chǎn)生扭曲并倒塌。

說了這么多，金門大橋仍然做得很好。即使有其他可行的和更便宜的選擇，也沒有人現(xiàn)實(shí)地致力于取代這個(gè)裝飾藝術(shù)的標(biāo)志和其世界著名的 "國際橙色 "油漆。金門大橋受到密切監(jiān)測，以確保它不會(huì)因交通、風(fēng)力和地震載荷而超過其壓力極限。工程師預(yù)期這個(gè)工程杰作至少還能堅(jiān)持80年屹立不倒。

此文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)編譯，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請(qǐng)注明出處。