新近确定的桥梁形式可以使将来的桥梁跨度大大延长,从而有可能使从伊比利亚半岛到摩洛哥的直布罗陀海峡跨越成为可能。
新的桥梁形式使用新的数学建模技术来确定超长跨度桥梁的最佳形式。该研究报告于2018年9月19日发表在《皇家学会学报》上中国建材网cnprofit.com。
一座桥梁的跨度是两座塔之间悬空的道路之间的距离,目前的世界纪录仅不到2公里。对于大跨度而言,最受欢迎的形式是悬索桥形式(用于亨伯桥),尽管是斜拉桥形式,其中缆索将塔架直接连接至巷道-例如在苏格兰最近建造的昆斯费里穿越道中使用的形式。 -越来越受欢迎。
随着桥的跨度变长,需要结构的快速增长的比例来承载桥自身的重量,而不是通过桥的交通。这可能会造成恶性循环:跨度的相对较小的增长需要使用大量的材料,从而导致结构较重,需要更多的材料来支撑它。这也限制了桥的跨度。超出此限制,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。但是,钢仍然是首选,因为它坚韧,易于获得且相对便宜。因此,增加跨度的唯一其他方法是更改??桥的设计。
谢菲尔德大学的马修·吉尔伯特(Matthew Gilbert)教授领导了这项研究。他说:“悬索桥已有数百年历史,尽管我们能够通过逐步改进来建造更长的跨度,但我们从未停止过寻找看看它是否实际上是最佳使用形式。我们的研究表明,确实存在结构上更有效的形式,这可能为将来更长的桥梁跨度打开大门。”
团队设计的技术借鉴了吉尔伯特教授同名戴维斯·吉尔伯特(Davies Gilbert)提出的理论,他在19世纪初期使用数学理论说服了托马斯·特尔福德(Thomas Telford),他在北威尔士梅奈海峡大桥的原始设计中使用的悬索过浅一条曲线。他还提出了一个“等应力类别”,以考虑重力载荷的存在来显示电缆的最佳形状。
通过将此19世纪早期的理论整合到现代数学优化模型中,该团队确定了需要尽可能少的材料量的桥梁概念,从而可能显着延长跨度。
数学上最佳的设计包含类似于自行车车轮的区域,并用多个“辐条”代替单个塔架。但是,要在实践中大规模构建它们将非常困难。因此,团队用仅包含两个或三个“辐条”的分体式塔架代替了这些,作为一种折衷方案,保留了最佳设计的大部分优势,同时易于建造。
对于5公里的跨度(建造直布罗陀海峡14公里的海峡可能需要),传统的悬索桥设计将需要更多的材料,使其比最佳设计重至少73%。相比之下,建议的两辐和三辐设计仅重12%和6%,这使它们的制造成本可能大大降低。
新桥的形式所需材料更少,主要是因为来自甲板的力通过桥上部结构更有效地传递到基础上。这可以通过使载荷路径保持较短并避免拉伸和压缩元件之间的尖角来实现。
该团队强调,他们的研究只是第一步,而对于大型跨度桥梁的建造无法立即提出构想。当前模型仅考虑重力载荷,尚未考虑交通或风荷载引起的动力。还需要进一步的工作来解决构造和维护问题。
来自COWI的合著者Ian Firth说:“在寻求超大跨度桥梁设计中提高材料效率方面,这是一个有趣的发展。要做的工作还很多,尤其是在设计有效且经济的建筑方面方法,但也许有一天,我们将在宽阔的河口或海上穿越中看到这些新形式的形成。”