為什麼大橋有的直有的彎？
這裡邊的學問可大著呢~
出品 | 網易新聞
作者 | 須臾千秋，清華大學土木工程博士
中國的地形堪稱地球表面最為複雜，我們最不缺的就是橋樑。
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？
（一）什麼橋是直的，什麼橋是彎的？
從理論上講，工程師們希望儘可能地將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、基本屬於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，對於那些比較短的大橋，尤其是跨河、跨谷的單跨部分，工程師們都是儘可能地讓它們保持直線的，這樣可以儘可能地簡化受力，最大限度確保安全。
可是跨海大橋就不同了。它的橋長動輒幾十公里，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；日本瀨戶大橋，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？
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，或者乾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，即使是幾十公里的大平原，工程師們也會故意將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。
（二）大橋的彎是怎麼來的？
與那些只有一兩公里長的河上「小橋」不同，動輒三五十公里的跨海大橋，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，海洋的底部並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；有的地方則是疏鬆的淤泥，需要打下深深的樁到幾十米以下的基岩上，橋墩才能穩固；有些地方則乾脆就是斷裂帶，根本就不能搭建任何建築物，更別說幾萬噸重、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。
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適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，這會持之以恆地對大橋造成衝擊，這種海浪衝擊遠遠大於普通橋樑，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樑造成的傷害。
此外，還有反覆無常的颱風在水面以上不停地襲擾著大橋，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，這並不是在浪費建材。
（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產生彎矩和扭矩，並且相互影響，使梁截面處於彎扭耦合作用的狀態，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，對於橋樑安全的危害很大。
因此，彎橋的受力必須經過妥善而精密的計算。在有限元軟體發明之前，想要設計這樣一座彎橋可真的是會把工程師的頭算破的。
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，有限元就是近似地將你想要設計的大橋分成若干個小塊，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確地獲得了。
與直橋不同，彎橋的橋樑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、溫度變化引起的內力、地震力等外，還存在離心力和預應力張拉產生的徑向力。
因此，在曲線橋樑結構的設計中，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。
由於彎橋的受力複雜，除了彎矩和扭矩聯合作用外，拐彎內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採用橫向強度也很高的箱形截面。
由於橋面超高，加之為了滿足梁體受扭時外邊梁受力較大的強度需要，因此還會在橋樑橫向將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，在腹板側面布置較多受力鋼筋，並且配置許多抗扭鋼筋。
當然，上面只是簡單地介紹了彎橋的設計思想，實際中的設計要比這複雜得多。光是使用有限元軟體，劃分小方塊，彎橋的劃分方式就與直橋不同，不同種類的彎橋劃分方式也不相同，這裡面的學問足夠一個研究結構力學的博士畢不了業。
知道了這些冷知識，下次再開車經過一座漫長的跨海大橋的時候，你就會想到，這座彎彎曲曲的大橋算破了不知道多少個工程師的大腦；你開過的地方，水下幾十米必定是堅實的岩石，可是外面短短几百米處，平靜的海面下面可能就是一條兇險的斷裂帶。海風吹拂，海浪拍打，這條彎彎的大橋正在竭盡全力地用彎曲的身軀抵擋著這日復一日的壓力。
人類科技真是偉大啊，不過還是千萬記得，行車要規範，行車不規範，親人兩行淚。
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