寻找可以跨越更远的新桥梁形式

新确定的桥梁形式可以在未来实现更长的桥梁跨度，有可能跨越直布罗陀海峡，从伊比利亚半岛到摩洛哥。新的桥梁形式使用新的数学建模技术来确定大跨度桥梁的最佳形式。该研究于 2018 年 9 月 19 日发表在英国皇家学会会刊 A 上。

桥梁的跨度是塔楼之间悬空道路的距离，目前的世界纪录不到 2 公里。大跨度最流行的形式是悬索桥形式，如亨伯桥所用，虽然斜拉桥形式，其中电缆直接将塔连接到道路 - 例如用于最近建造的苏格兰昆斯费里十字路口 -越来越受欢迎。

随着桥梁跨度变长，需要快速增长的结构比例只是为了承载桥梁自身的重量，而不是通过它的交通。这会造成恶性循环：跨度相对较小的增加需要使用更多的材料，导致结构更重，需要更多的材料来支撑它。这也限制了桥梁跨度的长度;超过这个限制，桥梁根本无法承受自身的重量。

一种选择是使用更坚固、更轻的材料。然而，钢仍然是首选，因为它坚韧、容易获得且相对便宜。所以增加跨度的唯一方法就是改变桥梁的设计。

领导这项研究的谢菲尔德大学的马修吉尔伯特教授说：“悬索桥已经存在了数百年，虽然我们已经能够通过渐进式改进来建造更长的跨度，但我们从未停止寻找看看它是否真的是最好的形式。我们的研究表明，确实存在结构更有效的形式，这可能为未来显着延长桥梁跨度打开大门。”

该团队设计的技术借鉴了吉尔伯特教授的同名戴维斯·吉尔伯特 (Davies Gilbert) 开发的理论，他在 19 世纪初使用数学理论说服托马斯·特尔福德 (Thomas Telford)，他为北威尔士梅奈海峡大桥设计的原始设计中的悬索太浅一条曲线。他还提出了一个“等应力悬链线”，显示了考虑重力载荷存在的电缆的最佳形状。

通过将这个 19 世纪早期的理论融入现代数学优化模型，该团队确定了需要尽可能少的材料体积的桥梁概念，这可能使更长的跨度变得可行。

数学上的优化设计包含类似于自行车车轮的区域，用多个“辐条”代替单个塔。但是在实践中大规模构建这些将非常困难。因此，该团队将这些替换为仅包含两个或三个“辐条”的分体式塔楼，作为一种折衷方案，保留了最佳设计的大部分优势，同时更容易构建。

对于建造 14 公里长的直布罗陀海峡跨度可能需要的 5 公里跨度，传统的悬索桥设计将需要更多的材料，使其比最佳设计至少重 73%。相比之下，拟议的两辐和三辐设计将仅重 12% 和 6%，这使得它们的制造成本可能要高得多。

新的桥梁形式需要更少的材料，主要是因为来自桥面的力通过桥梁上部结构更有效地传递到地基。这是通过保持较短的载荷路径并避免拉伸和压缩元件之间的尖角来实现的。

该团队强调，他们的研究只是第一步，不能立即开发出建造大型跨度桥梁的想法。当前模型仅考虑重力载荷，尚未考虑由交通或风载荷引起的动态力。还需要进一步的工作来解决建设和维护问题。

来自 COWI 的合著者 Ian Firth 说：“这是在超大跨度桥梁设计中寻求更高材料效率的一个有趣的发展。还有很多工作要做，特别是在设计有效和经济的建筑方面方法，但也许有一天我们会看到这些新形式在一些宽阔的河口或跨海处形成。”

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