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2 # 中大網校工程考試
用中國最著名的港珠澳大橋來舉例吧。
首先受到了海流的影響,從結構力學的角度來看,有彎度明顯更穩定,跨海大橋受到的海浪衝擊遠遠大於普通橋樑,所以透過設計S型曲線,能讓水流透過引導減少對橋樑造成的傷害。
其次,由於海底並不是平坦的,也會和地面一樣是不平的地形,把橋樑修成彎曲的形狀是為了避開這些起伏的地形,保障橋樑的穩定和安全。另外把橋樑修成彎曲的。
最後,還能防止司機出現駕駛疲勞,比如在一條直線上開車司機經常會因為周圍相同的駕駛環境,產生視覺疲勞和精神懈怠,透過彎曲的路線,能引導駕駛人員的視線,這會讓司機注意力更加集中,不容易發生交通事故。
大橋平面上是彎的,路面也有起伏,這個原因是有多方面的:
1、美學方面的考慮:
《公路橋涵設計通用規範》第1.0.10條:特殊大橋宜進行景觀設計;上跨高速公路、一級公路的橋樑應與自然環境和景觀相協調。
2、 海水流向的考慮:
《公路橋涵設計通用規範》第3.1.3條:橋樑縱軸線宜與洪水主流流向正交。對通航河流上的橋樑,其墩臺沿水流方向的軸線應與最高通航水位時的主流方向一致。
這個要求的目的是要讓墩臺的走向儘量順著水流的方向,避免墩臺常年受水流以及水流中夾帶的雜物、浮冰等物體的不停衝擊,也避免船舶在透過墩臺之間的航道時被突然的水流衝到墩臺上造成事故。跨海大橋跨越的範圍很大,經過的區域水流流向不盡相同,因此要在不同的區域採用不同的軸線走向,不同的區域與區域之間採用平滑的曲線連線起來,這也造成了跨海大橋彎曲的平面走向。
如圖1、圖2。圖中上側的彎曲走向是合理的,橋墩走向與水流方向相符;下側的直線走向就不太合理,橋墩一直在承受水流的持續衝擊。
3、船舶通航的考慮:
《公路橋涵設計通用規範》第3.1.5條:通航海輪橋樑的橋孔佈置及淨高應滿足《通航海輪橋樑通航標準》(JTJ 311)的規定。
大型遠洋船舶的航線肯定要穿過跨海大橋。如果大橋太矮,船就鑽不過去了,但如果大橋整體抬高,花錢又太多,也不經濟。合理的做法是將某一部分的橋面抬高,作為船舶通航的主通行口;剩下的部分保持比較低的高度,節省造價。就像在圍牆上開了幾個門一樣。這就是跨海大橋路面有起伏的原因,類似地面上高速公路的立交橋,汽車走上面的大橋,輪船走下面的航道。
這一點對跨海大橋的設計十分重要,有些大橋位於咽喉要道,必須充分考慮通航需求。比如連線歐亞大陸的土耳其博斯普魯斯海峽大橋,地處要衝,所有從地中海到黑海的船舶都要從橋下鑽過去。當年“瓦良格”號航母從黑海邊的烏克蘭出發前往大連,在透過博斯普魯斯海峽時就是一波三折。由於船體沒有動力,加上海峽水面窄水流急,巨大的船體在水流的作用下存在著失控撞上大橋的危險。最後的透過過程也是慎之又慎,為確保安全,海峽在“瓦良格”號透過時還短暫封閉了水上交通。
4、行車安全的考慮:
《公路工程技術標準》第3.0.1條:應考慮車輛行駛的安全舒適性以及駕駛人員的視覺和心理反應,引導駕駛人員的視線,保持線形的連續性,避免採用長直線,並注意與當地環境和景觀相協調。
簡單一句話,如果平面上沒有彎曲,一條直線過去,周圍又是單調的海天一色,好好開車的司機容易視覺疲勞,昏昏欲睡,不好好的開車的司機會踩足油門向天邊撞去,都不利於交通安全。
5.地質條件的考慮:
《公路工程技術標準》第3.0.1條:路線應避免穿過地質不良地區。如圖3
可能在原先預定的線路上存在著一部分地質特別差的區域,比如某個位置有特殊的淤泥層,樁基礎和承臺很難施工。這時候就需要用平面大麴線的形式繞過地質不良地區。雖然路遠了一點,但是相比硬穿過地質不良地區,提高了安全係數,也減少了不必要的處理特殊地質的鉅額花銷,整體收益還是值得的。
總結:《公路橋涵設計通用規範》第3.1.1條:橋樑應根據公路功能、等級、通行能力及抗洪防災要求,結合水文、地質、通航、環境等條件進行綜合設計。
橋樑設計,尤其是跨海大橋,是一個很複雜的系統工程,涉及到方方面面的因素。有時候,不同的因素還會帶來相悖的要求。最終的平面走線、路面標高都是經過深思熟慮、權衡利弊後得到的相對的最優解。
從安全形度考慮:平面彎曲一方面是為了防止駕駛疲勞;從通航角度考慮:縱向彎曲(也就是橋樑向上拱起)是為了保證通航淨空(也就是大船能過得去)。從力學角度考慮:結構力學上也是彎的更穩定,比如你做一個直板凳一推就倒,而做一個彎的就不容易推到,起伏是有航道通航要求。平面彎曲,縱向彎曲疊加起來也有一部分美學設計在裡面——“安全,經濟,美觀”三大原則。
當然,詳細講的話還是很複雜的,拋幾個有關的專業術語作為深度自學的引子:通航淨空,設計洪水頻率,最大縱坡,最小縱坡,最大平曲線半徑,最小平曲線半徑,超高,最小排水坡度,視距,安全停車距離,凸曲線,凹曲線,S曲線,曲拱效應,矢跨比,計算跨徑,道路橫坡,河道沖刷,紊流,平流.............