跨海大橋如何“乘風破浪”

李彤

超能力之海底“扎根”

人們常說“地基不牢，地動山搖”。要想保障橋上汽車和火車的平穩通行，就要把大橋的“腳”穩穩地固定在海床上，也就是“打地基”。跨海大橋通常采用樁基礎，它們形似橋墩底部垂直向下延伸的許多細長的鋼筋混凝土“根須”（直徑通常在0.8～3米）。“根須”在地基中，利用末端得到的支持力和它們與巖層之間的摩擦力來支撐上部的橋體。

那如何打樁呢？以泉州灣跨海大橋為例，工程師們首先在預定位置向土中打入一小節直徑與樁相當的鋼護筒，來提供一個穩定的工作環境。然后一邊沿著護筒向下鉆孔，一邊在筒中灌入預先配置的泥漿。泥漿的作用非常重要，它既可以利用自身的黏性和密度，抵抗可能要坍塌的土壤；又由于它液體的特性，方便工程師們把預先綁扎好的鋼筋籠放置到孔洞中。鋼筋就位后，再用海洋工程專用的混凝土（海工混凝土）置換掉泥漿。待混凝土固化，大橋就可以在海中扎根了。

超能力之圍堰施工

有了根，如何在水中繼續建造又成了一個難題。因為有潮汐、水流以及海浪的影響，使得尚未成型的混凝土無法維持固定的形狀。這就需要第二項超能力——圍堰施工，也就是依賴人類強大的工程能力，在海中打造一塊臨時空間，抽出海水，來進行施工作業。

具體的圍堰方式有多種，比如用一根根緊密排列的大型混凝土管圍成封閉空間的，稱作沉管圍堰。而在泉州灣跨海大橋中，工程師們直接在海中安放了一個重490 噸，長41 米、寬27 米、高10 米的巨大鋼盒子，這種方式也叫鋼吊箱圍堰。

超能力之智能合龍

與陸地建造不同，跨海大橋只能用以橋墩為出發點、懸空逐漸延長的方式建造。目前世界上跨度最長的跨海大橋是來自土耳其的1915 恰納卡萊大橋，其跨度達到2023 米。如此遠的距離，想保證合龍時毫米級的精度，僅憑肉眼來瞄準是不可能達到的。為此，聰明的工程師們準備了一系列高科技武器。

超能力之挑戰惡劣天氣

臺風是破壞力最強的自然現象之一，跨海大橋在它面前簡直岌岌可危。首先，面對臺風時，大橋這類“又細又長”的結構是屬于柔軟且輕的，這個特性使得它很容易隨風搖擺。其次，除了正面抵抗風力之外，橋面還要避免共振和震顫現象。也就是當風與大橋的固有頻率接近時，會極大地放大振動的幅度，十分危險。第三，工程師在設計時還要模擬動態的風、橋、車三者的相互擾動和互相影響，這又增加了計算的復雜度。

這些難題的解決之道就是找到一個近乎完美的形狀，就像賽車一樣，形狀的細小差別都會最終反應在賽車的性能上。首先，為了減小風的壓力，許多大橋的主梁會采用流線的外形，讓風可以順暢通過。而在避免共振方面，需要做的就是改變大橋的頻率，這也與形狀有關。就像在吹口哨時，嘴巴只有努成特定的形狀，口腔和空氣才會共振，發出響亮的哨聲。此外，工程師們還在大橋的側面增設了一些特定形狀的氣動構件，比如導風板、風嘴等，作用類似于賽車尾部的擾流板。最后，為了驗證設計成果，工程師們往往還要在現實世界中按照一定比例制作一個大橋模型，放在風洞實驗室里去試煉一番，以獲得更準確、可靠和全面的數據。

超能力之抗腐蝕

跨海大橋要想度過100 年的設計周期，還要提防另一個不可見的敵人——腐蝕作用。

要解決腐蝕問題，首先要做的是阻隔鋼材與鹽或氧的接觸。例如泉州灣跨海大橋的主橋纜索就有著多重保護：外皮是雙層塑料護套，內層覆蓋了一層鋅鍍薄膜。并且，工程師還會稍稍放大鋼材的用量，也就是允許一小部分鋼材被腐蝕后仍能保證大橋的安全。

另一種常見的處理方式是在鋼材表面刷油漆，例如美國著名的加州金門大橋，因為嚴重腐蝕，當地政府不得不雇傭油漆工常年為它補刷油漆。為避免這種浪費，我國的科學家和工程師研制應用了石墨烯制成的防腐涂料，不僅成本降低，還能為海洋腐蝕環境下的大橋提供長達30 年的防護壽命。

而為了保護混凝土中的鋼筋，工程師會在混凝土中摻入粉煤灰等細小顆粒，來堵住混凝土表面的細小孔洞，從而增加混凝土的抗滲透能力；或用更“聰明”的辦法——給鋼筋外加電流。原理是為失去電子的鐵原子補充電子，阻止鐵原子和氧原子的結合，從而避免腐蝕。