如果今天我們要建2000米跨度的大橋,各類橋型的進步指數會是多少?
目前世界上最大跨度的懸索橋是1991米的明石大橋,2000米的新橋,進步指數只是0.005;目前世界上最大跨度的斜拉橋是 1104米的Russky 大橋,新橋的進步指數是0.81;目前世界上最大跨度的拱橋是575米的平南三橋,新橋的進步指數是2.48;世界上最大跨度的梁橋是549米的魁北大橋,新橋的進步指數是2.64。從這些數據看,建造2000米的懸索橋當然沒有問題;兩千米斜拉橋的進步指數是0.81,還是一個合理的步伐;拱橋和梁橋的進步指數都超過2.00,遠遠大於歷史上的最大進步指數、華盛頓大橋的0.89。從歷史觀點看應該是太激進了!雖然從應力的角度看,兩千米跨度的拱橋和桁架梁仍然是可能的。但是,「可能」並不等於「合理 」!
兩千米跨度斜拉橋
一座斜拉橋上最長的斜拉索的水平投影大概是跨度的一半,2000米跨度的斜拉橋就是差不多1000米。長的拉索在自重下會有很大的下垂,使拉索的效率顯著減低,在恆載下最長的一些拉索的效率可能降到80%以下,在結構分析中會引起較大的誤差。拉索效率與拉索的水平投影長度, L成反比,所以要保持斜拉索的效率,最直接的解決辦法是把L縮短。最簡單的是用兩個垂直支撐把長索分成三段,每段距離從1000米減低到333米,就可以解決這個問題了。
除此之外,沒有其他結構上的問題會阻礙2000米斜拉橋的設計。在風震方面,斜拉橋一般比懸索橋穩定。
兩千米跨度的拱橋
拱橋的拱肋和懸索橋的主纜結構原理基本相似,都是利用彎曲來承受垂直力。兩者主要的分別是:
1.拱是受壓的杆件,有失穩的可能,需要加上橫撐之類結構才能保證它的穩定。懸索橋主纜是受拉的杆件,沒有失穩的問題。
2.主纜受拉,可以使用鋼絲;拱肋受壓,只能用鋼板。鋼絲的強度可達到2000MPa,鋼板的強度最高也只有690MPa。
3.在橫向力如風、地震等作用下,懸索橋主纜的變形能夠協助承受橫向力。
4.懸索橋的矢跨比通常大約是1:9;拱橋的矢跨比通常大約是1:5,在相同的荷載下,拱肋的軸力比懸索橋主纜的軸力小。
視乎主梁的位置,拱橋有三種結構形式:上承式拱橋主梁位於拱肋上面,主梁重量由立柱傳遞到拱肋,大跨度拱橋的拱肋很高,立柱也就很高,這些立柱是受壓杆件,必須有足夠的橫向剛度才能避免失穩,會很粗重,所以大跨度的拱橋不宜用上承式結構;下承式拱橋主梁位於拱肋下面,吊杆取代了立柱,吊杆只受拉力,沒有失穩問題,可以使用高強鋼絲,大大減少了結構的重量,圖12;中承式拱橋主梁在這兩者之間,如果橋的兩端部分立柱仍然很高,就不適用。