为什么大桥有的直有的弯？
这里边的学问可大著呢~
出品 | 网易新闻
作者 | 须臾千秋，清华大学土木工程博士
中国的地形堪称地球表面最为复杂，我们最不缺的就是桥梁。
它们有的跨河，有的跨海，有的跨越山谷，有的跨越铁路，如果你仔细观察还会发现，它们有的是直的，有的却是弯的。这是怎么一回事呢？
（一）什么桥是直的，什么桥是弯的？
从理论上讲，工程师们希望尽可能地将所有的桥都设计成直的。
原因很简单，两点之间线段最短，直的大桥不仅省材料、省人工，更关键的是省脑子啊。
相比起受力简单、基本属于平面受力结构的直桥，弯桥的受力要复杂许多倍。弯矩、扭矩、弯扭联合作用，使得弯桥的受力令人难以捉摸，计算和设计都变得十分复杂。
因此，对于那些比较短的大桥，尤其是跨河、跨谷的单跨部分，工程师们都是尽可能地让它们保持直线的，这样可以尽可能地简化受力，最大限度确保安全。
可是跨海大桥就不同了。它的桥长动辄几十公里，比如我们所熟知的港珠澳大桥，主桥长55千米；东海大桥，长32.5千米；日本濑户大桥，长37.3千米……所有这些跨海大桥，就没有一条是直的，这是为什么呢？
要知道「跨海大桥为什么是弯的」，我们可以先从「公路为什么是弯的」开始讲起。
开在高速公路上时，我们一定会发现，无论你怎么开，前方的道路永远不会出现超过三分钟的连续直路，舒舒服服地开上一小会儿，总是要拐一下，避让开什么东西，或者干脆什么也没有的时候也会转弯。
这一方面是因为，陆地上难免会有些丘陵起伏，最好的办法就是让我们的道路稍微拐拐绕过它们；而另一方面，长时间的直线驾驶会令驾驶员迅速疲劳，酿成事故。
因此，即使是几十公里的大平原，工程师们也会故意将道路设计得拐上几个弯，让司机动动手，动动脑，可以十分有效地降低事故发生率。
（二）大桥的弯是怎么来的？
与那些只有一两公里长的河上「小桥」不同，动辄三五十公里的跨海大桥，本质上也是一条高速公路。
司机在上面开车，如果不去隔三岔五地拐几个弯，也是很容易疲劳、很容易出事故的。光凭这一点，跨海大桥有点弯曲，从而引导驾驶员的视线来避免视觉疲劳和精神懈怠，这也是很正常的。
但跨海大桥的弯曲，其实远不止这么简单，其中最重要的原因就是，海洋的底部并不像它的表面那样平整，而是充满了丘陵起伏。
受到海水和海洋生物的腐蚀后，海底的地质环境也会千奇百怪，有的地方是坚固的基岩，可以直接把桥墩架在上面；有的地方则是疏松的淤泥，需要打下深深的桩到几十米以下的基岩上，桥墩才能稳固；有些地方则干脆就是断裂带，根本就不能搭建任何建筑物，更别说几万吨重、设计寿命120年的大桥了。
比如我们熟知的港珠澳大桥，海底就是深达几十米的淤泥，我们看到的水面上粗粗短短的桥墩，其实在水面以下宛如一根根定海神针。
所以在大桥架设前，早有工程师们仔仔细细地研究了附近海底的地质结构，巧妙地避开了一切不适合建造大桥的地质环境，选好了大桥的路线。这条路线当然不太可能是直线，必定要东绕西绕。
这还不算完，大桥的布线，还要考虑到最重要的一点：海洋中的洋流和海流。
在海洋中，海水是24小时不停地流动的，而且全年无休，这会持之以恒地对大桥造成冲击，这种海浪冲击远远大于普通桥梁，它的流动虽然有一定的规律可循，但却来自多个方向。通过设计S型曲线，能让水流通过引导减少对桥梁造成的伤害。
此外，还有反复无常的台风在水面以上不停地袭扰著大桥，面对这种来自四面八方的横向力，直桥的抵抗能力很差，一定要弯桥才能更加稳定。
所以，把长度很长的跨海大桥，修建成一条弯曲的曲线，受到了自然和现实多种因素影响，这并不是在浪费建材。
（三）弯桥要怎么修才好？
扭矩的存在，是弯桥与直桥受力最大的不同点。
什么是扭矩呢？举个简单的例子，当你扭转一个门把手时，其实就是对它施加了扭矩。
扭矩的原理很简单，但与弯矩耦合后，就会成为计算上非常令人头疼的东西。
弯曲的梁在荷载的作用下会同时产生弯矩和扭矩，并且相互影响，使梁截面处于弯扭耦合作用的状态，其截面主拉应力往往比相应的直梁桥大得多。
这是曲梁独有的受力特点，尤其是放大到了梁端，还会出现翘曲、位移等变形，对于桥梁安全的危害很大。
因此，弯桥的受力必须经过妥善而精密的计算。在有限元软体发明之前，想要设计这样一座弯桥可真的是会把工程师的头算破的。
好在有了有限元，计算机会帮助工程师完成大桥的受力计算。
简单地说，有限元就是近似地将你想要设计的大桥分成若干个小块，再设定好边界条件。比如，大桥哪里受到了约束，哪里与哪里的连接比较紧密，再把大桥所受到的荷载，包括自重、车辆压力、风荷载和地震荷载加上去，计算这些小块各自的受力，就可以近似地得到整个大桥的受力。
这样一来，整个弯桥的受力情况就可以比较精确地获得了。
与直桥不同，弯桥的桥梁受力会与桥墩台形成耦合。弯桥下部结构墩顶水平力，除了与直桥一样有制动力、温度变化引起的内力、地震力等外，还存在离心力和预应力张拉产生的径向力。
因此，在曲线桥梁结构的设计中，应该对整个结构进行全面的整体的空间受力计算分析。
除了横向力外，还必须对其在承受纵向弯曲、扭转和翘曲作用下，结合自重、预应力和汽车活载等荷载进行详细的受力分析，充分考虑其结构的空间受力特点，才能得到安全可靠的结构设计。
由于弯桥的受力复杂，除了弯矩和扭矩联合作用外，拐弯内侧梁和外侧梁的受力也不均匀。
为了抵抗梁截面的弯矩和扭矩，故而在弯梁桥设计中多采用横向强度也很高的箱形截面。
由于桥面超高，加之为了满足梁体受扭时外边梁受力较大的强度需要，因此还会在桥梁横向将各主梁布置做成不同的梁高。在配筋设计上，也要考虑这种扭矩，在腹板侧面布置较多受力钢筋，并且配置许多抗扭钢筋。
当然，上面只是简单地介绍了弯桥的设计思想，实际中的设计要比这复杂得多。光是使用有限元软体，划分小方块，弯桥的划分方式就与直桥不同，不同种类的弯桥划分方式也不相同，这里面的学问足够一个研究结构力学的博士毕不了业。
知道了这些冷知识，下次再开车经过一座漫长的跨海大桥的时候，你就会想到，这座弯弯曲曲的大桥算破了不知道多少个工程师的大脑；你开过的地方，水下几十米必定是坚实的岩石，可是外面短短几百米处，平静的海面下面可能就是一条凶险的断裂带。海风吹拂，海浪拍打，这条弯弯的大桥正在竭尽全力地用弯曲的身躯抵挡著这日复一日的压力。
人类科技真是伟大啊，不过还是千万记得，行车要规范，行车不规范，亲人两行泪。
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