【新闻里的高分子】纤维增强高分子材料在大桥的应用

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1937年5月27日，跨越金门海峡的金门大桥正式通车。自此，金门大桥成为最著名的美国地标之一。

1870年，人们意识到有必要在金门海峡上建一座大桥，连接旧金山市与对面的马林县。然而，一直等到半个世纪之后，一位名叫约瑟夫·施特劳斯（Joseph Strauss）结构工程师才拿出可行的设计。计划几经修改，最后悬索桥设计获得批准，另用了四年时间大桥最终建成。

当金门大桥刚建成时，这是世界上最长的悬索桥——桥梁主体部分仅靠两边的钢索悬吊，没有任何中间支撑。整个建筑是技术和资金共同造就的奇迹。当年这座桥的建造费用约为3700万美元，同样一座桥在今日的造价可能达到十亿美元。

（悬索桥结构示意图。大桥因其新颖的结构和超凡的外观，被国际桥梁工程界公认为优美建筑的典范。它也是世界上最上镜的大桥之一。）

全球最大悬索桥

作为一座悬索桥，整个桥面的重量经由悬索分担到两个桥塔，中间没有任何支撑。悬索桥的创意自古已有。几百年前，人们利用藤索穿越山谷或河流，进入现代社会之后，铁链成为更可靠的材料。1883年投入使用的纽约市布鲁克林大桥首次使用钢丝悬索设计，并成为后世悬索桥的标准。

金门大桥的两条主缆可能是大桥在几十年来的检维修中唯一没有被更换过的部分。每条主缆由27572条铅笔粗细的钢筋组成，所有钢筋长度加起来接近13万千米。

之所以使用“聚麻成绳”的方法，是因为单独制造一条长且粗的电缆几乎是不可能的。更重要的是，单一一条线缆一旦发生问题就意味着灾难性的后果。千万条细钢筋让维修和事故救援都更容易。

作为连接旧金山和马林县的交通要道，每天有11.2万辆汽车驶过金门大桥。鉴于湾区独特的地理条件，大桥需要具备抵抗强风、流水和潜在地震的能力。旧金山位于两个地质板块的交界处，板块活动是桥梁设计必须考虑到的因素。

为了抵御自然因素都影响，桥梁的每一端都设有减震器，以缓冲来自强风和地震的能量。这些减震器经过专门设计，橡胶包裹铅芯形成直径一米的圆柱阻尼器，原本可能摧毁大桥的力量被它们化为无形。

大桥体检

传统工程的建造过程以投入使用宣告结束。但金门大桥在施工结束之后还需要进行持续检修。80年来，有专门的维修工替换锈蚀和损坏的部件，并重新漆刷以保留大桥原貌。

检修工作必须按照严格的标准进行。例如，当连接桥梁各个部分的螺栓需要更换时，工人不得不同时取下两个螺栓，以保证桥梁不受强风或地震的影响。

此外还有结构维护的问题。时间的流逝和温度变化会使得主缆和吊索出现伸长或收缩，需要定期检查和重新拉伸。这类检修工作被形象地称为为大桥“调弦”，类似音乐家为他们的乐器调音。

重建一个金门大桥，会有什么不同？

由于维护费用巨大，有人建议干脆重建一座金门大桥。暂且不论政z上的可行性，工程师会拿出什么样的设计呢？

科技的进步提供了更轻的材料。用纤维增强聚合物（FRP）可以替代笨重的钢筋混凝土。目前大桥的自重占去了桥梁最大承重的70%～80%。减少材料重量，桥梁需要的拉力更少，总体建筑成本也得以降低。

目前已有FRP材料应用于桥梁建造的案例，比如西弗吉尼亚州的Market Street Bridge。FRP使用塑料树脂将玻璃纤维或碳纤维混合，材料重量仅为混凝土的1/4，但强度却是后者的5到6倍。

此外，大桥吊索可能是工程师最想替换掉的部分。目前金门大桥所使用的钢材易受腐蚀，在湾区这种湿度和温度下性能会逐渐变差。碳纤维线缆性质更稳定，目前已在世界各地广泛使用。

新材料重量仅为钢材的1/4，也可用于桥梁的其他部分，比如交通巷道。复合材料路面可使桥面自重降至1/5。重量的大幅降低让工程师可以大胆使用斜拉桥而非吊桥。两者的差异在于斜拉桥去掉了主缆，桥面直接通过斜索与桥塔相连。第一座使用碳纤维复合材料（CFRP）的公路斜拉桥是瑞士的Stork Bridge，于1996年正式通车。

斜拉桥可实现比吊桥更长的跨度，支撑设计和与两岸相连的结构可以进一步简化。在更靠近陆地的浅水区建造桥塔也可避免困难的深水作业，当年金门大桥施工时就曾为这一问题困扰。

阻尼系统也可更换为新的设计，实现更好的抗震效果。这种改进能够避免华盛顿Tacoma Narrows Bridge大桥被风吹断的悲剧。

设想归设想，目前的金门大桥仍然状态良好，至少可以再服役八十年。加州**对这座桥呵护备至，确保其在日常损耗、风力和地震中不受损害。即便有更便宜的选择和更好的设计方案，也没有人真的会试图取代这座无与伦比的加州地标。它所承载的文化意义丝毫不亚于所带来的经济价值。

在乎的是历史~~使用价值倒是其次~~