虎門大橋發(fā)生異常抖動

據專家組初步判斷，本次振動的主要原因是沿橋跨邊護欄連續(xù)設置水馬，改變了橋梁的外形，導致橋梁在特定風環(huán)境下產生了渦振。

渦振

國際橋梁與結構工程協(xié)會主席[1]葛耀君表示，本次震動不會對橋體的安全產生影響。“橋梁抖動的幅度就是幾厘米十幾厘米……但當我們對新建橋梁進行驗收時，需要滿載車輛測橋梁的承載力?；㈤T大橋880米，需要下降400分之一，也就是向下發(fā)生2米的位移和變形。” 

而虎門大橋，正是我國橋梁工程學科創(chuàng)始人、同濟大學校長李國豪，與葛耀君教授的導師、中國橋梁抗風研究的開拓者項海帆院士參與建造的。

“橋梁世家”出身的葛耀君，曾站在造就的舞臺上，與我們分享一座好的大橋背后隱藏著多少努力與汗水。

葛耀君

同濟大學橋梁工程系教授

國際橋梁與結構工程協(xié)會主席

葛耀君在造就演講

大家下午好，我叫葛耀君。我來自“橋梁世家”，但是大家不要誤會，我的爸爸和我的爺爺都不是造橋的，而是因為我的導師，和我導師的導師都是國際著名的橋梁工程的專家。

我們三個都是來自同濟大學，所以同濟大學才是“橋梁世家”，而且它是我們新中國第一個橋梁工程學科的誕生地。

“橋梁世家”的三代傳承

“橋梁世家”的三代傳承

我介紹一下我導師的導師李國豪，解放前他留學德國，獲得博士學位以后回到同濟大學，1952年在同濟大學創(chuàng)辦了中華人民共和國第一個橋梁工程學科。后來，他又出任同濟大學的校長，以后又擔任了名譽校長。他是中國科學院和中國工程院的兩院院士，同時還擔任了上?？茀f(xié)和上海政協(xié)的主席。

我的導師項海帆是李國豪教授的第一位研究生，他是上世紀70年代末期第一批獲得德國洪堡基金赴德國留學的學者。回國以后1987年，他在同濟大學創(chuàng)辦了中國高校歷史上第一個橋梁工程系并兼任系主任。他是我們橋梁抗風研究的開拓者，也是中國工程院的院士。

我是項海帆教授的第一位碩士研究生，以后又跟他讀了博士。我主要從事的是橋梁抗風的教學和科研工作，并且在項老師之后兼任了同濟大學橋梁工程系主任長達十年。所以我今天自豪地宣稱——我是李國豪教授橋梁工程、項海帆教授橋梁風工程的繼承人。實際上我們同濟大學橋梁工程系60多位老師都可以稱為中國橋梁工程和風工程的繼承人。

力求自主，

中國橋梁工程界與日本、英國競爭

要說同濟大學對于中國橋梁最主要的貢獻，就要數(shù)呼吁和踐行中國橋梁的自主建設。我相信在座的一定會知道上海最引以為自豪的是我們在黃浦江上面的第一座大橋——上海南浦大橋。

上個世紀80年代圍繞著由誰來修建上海南浦大橋，曾經進行了非常長時間的一個爭論。1987年8月18號，我的導師項海帆教授向當時的上海市市長寫信，呼吁自主建設南浦大橋。在信中項老師是這樣寫到的：

中國的橋梁工程界完全有能力自己設計和建造像黃浦江大橋這樣規(guī)模和技術難度的大跨度橋梁，中國工程界需要實踐的機會來提高自己的水平。

項海帆教授的信件

江市長的批復

這是一個中國的橋梁專家向上海、向全中國發(fā)出的中國橋梁自主建設的第一聲吶喊。一個月以后，江市長在項老師的信上親筆批示：

我看主意應該定了，就以中國人為主設計，集思廣益，至多請個把美籍華人當當顧問，比如林同炎。[2]

在確定了南浦大橋自主建設以后，當時已經年逾75歲的李國豪教授親自擔任了專家組組長。他也沒有邀請任何外國人當顧問，1989年上海南浦大橋開工建設，除了鋼梁的鋼板和拉索的鋼絲是進口的，其他全都是國產的，充分體現(xiàn)了高度的自主建設。

1991年11月19號，上海南浦大橋順利建成通車，極大地提升了中國橋梁界自主建設大跨度橋梁的信心。

但是就在那年的年底，出生于廣東梅縣的李國豪教授得知，廣東虎門將要邀請英國公司來帶資修建我們大橋。李國豪教授是廣東人，所以他對廣東有一種刻骨銘心的感情。他寫信給時任廣東省省長的葉選平同志，他說：

虎門是中國林則徐禁煙的國恥地，中國人民的感情很難接受一個英國的公司。而且上海南浦大橋自主建設已經取得了極大的成功。

葉選平省長在收到李國豪教授的信以后親切會見了李國豪教授，并在會見中間當場承諾，虎門大橋由我們中國人自己來建設。

1992年，虎門大橋開工建設，五年之后自主建設順利竣工。從此以后中國的橋梁不問出處，所有都是由我們自己、由中國人設計和施工的。

虎門大橋

我們再回到上海，看看有多少座自主建設的橋梁。

1991年我們建成了上海南浦大橋，1993年我們又建成了上海楊浦大橋，并且創(chuàng)造了斜拉橋跨度的世界紀錄。1996年建成了徐浦大橋，2003年建成了盧浦大橋，2005年建成了東海大橋，2009年又建成了上海長江大橋。

中國橋梁自主建設

我們再來看看全中國橋梁自主建設的輝煌成就。

上個世紀90年代，我們建成了江陰長江大橋、廣東虎門大橋、廣東礐石大橋、萬縣長江大橋，其中江陰長江大橋是中國第一座一千米以上跨度的橋梁，也使得中國成為了全世界第五個能夠建造并且擁有一千米以上跨度橋梁的國家。

新世紀的第一個十年，我們建成了舟山西堠門大橋、潤揚長江大橋、蘇通長江大橋、重慶朝天門大橋等。舟山西堠門大橋和蘇通長江大橋雙雙創(chuàng)造了鋼箱梁懸索橋和斜拉橋跨度的世界紀錄。

新世紀的第二個十年，泰州長江大橋、武漢二七長江大橋、四川合江一橋、港珠澳大橋等等又都順利建成。同時又創(chuàng)造了雙主跨懸索橋和斜拉橋跨度的世界紀錄，那就是我們的泰州大橋和武漢二七長江大橋。

沒有抗風設計，

大橋就像一個巨型秋千

那么當然大家肯定會說既然自主建設了，這是中國橋梁的靈魂，那么世界橋梁又在追求什么呢？也許這個問題大家可以找到答案，因為現(xiàn)在到處都在說創(chuàng)新，世界橋梁追求的肯定是創(chuàng)新，那么在橋梁工程中間，又是怎么樣來進行創(chuàng)新的呢？

為了回答這個問題，首先我給大家介紹一下橋梁的組成。橋梁一般可以分成三種結構，或者說由三個部分組成。

最主要的部分我們把它稱為橋梁結構，它是跨越障礙物的一個結構通道。為了支撐這樣的一個結構通道，我們需要在障礙物的兩邊和通道結構的下方有一些支撐，這樣的結構我們叫橋梁基礎，或管它叫橋墩或者橋臺。

除此之外，為了方便通道結構的使用，我們在上面還有一些所謂的橋面設施，它包括了欄桿、照明、交通標志、標線等等。這樣就組成了我們一座完整的橋梁。

如果按照橋梁結構的受力情況，我們可以把橋梁分成四種類型。它包括梁橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋。

四種類型的橋梁

其中梁橋的跨越能力最小，大概300米。拱橋的跨越能力稍微大一點，500米。斜拉橋的跨越能力更大，1000米。懸索橋的跨越能力是最大的，目前已經達到了將近2000米。

如果是自然災害，我們又如何來避免呢？特別是像大風，像臺風，像颶風，一座大跨度的橋梁又如何來抵抗呢？我們下面來看看1940年秋發(fā)生在美國華盛頓州塔科馬大橋的可怕事件。

1940年秋發(fā)生在美國華盛頓州塔科馬大橋的可怕事件

在一場不是非常大的八級大風的作用之下，塔科馬大橋發(fā)生了強烈的震動，并且振動的振幅不斷增大，最后導致整個橋梁上部結構的垮塌，震驚了全世界，從此也揭開了橋梁抗風研究，后來又發(fā)展成為風工程研究的序幕。

橋梁抗風

那么為什么會有這樣的一個災難的發(fā)生？我們知道，當橋梁結構的跨度達到一定程度的時候，自然風就會激起橋梁結構的振動。這種振動的形式主要表現(xiàn)為三種，它包括豎向彎曲振動、扭轉振動和側向彎曲振動。

但是要命的或者說引起塔科馬大橋垮塌的恰恰是這樣的一種振動，我們把它稱之為顫振，它的振幅是會隨著時間的變化不斷增長的。

風致振動除了我們講到的顫振之外，還可以表現(xiàn)為渦振和抖振另外兩種形式。我們首先來舉一個例子。

比如大家熟悉的上海盧浦大橋。上海盧浦大橋的跨徑是550米，它把封存了30多年拱橋跨度的世界紀錄給刷新了。前一個世界紀錄是513米，在美國Bayonne Bridge。那么這個是550米，因此在這樣的一座橋梁中間一定有許多創(chuàng)新，當然它也獲得了許許多多國內外的獎項，我就不一一列舉了。

上海盧浦大橋

上海盧浦大橋的抗風設計

我想說的是其中一項創(chuàng)新，大家可以看一下這是一個盧浦大橋的拱肋,它近似于一個矩形的斷面，所以我們在學術上面把它稱為是不鋒利的刀一樣的非常鈍的鈍體，當然是相比于我們所謂的流線體。

為了克服這樣的鈍體所產生的渦振，我們想了好幾種辦法，然后我們根據數(shù)字分析以后發(fā)現(xiàn)，最后一種辦法它的效果是最好的，我們把它稱為隔流板。

為什么隔流板的效果會好？在沒有加隔流板的鈍體上產生上下兩個大渦，最后合成了一個更大更強烈的渦，使得這兩片拱肋發(fā)生振動，我們叫渦激振動得以激發(fā)。

有無隔流板的對比

那么我們加了這片隔流板以后情況是什么呢？盡管仍然有兩個渦，但是上下兩個渦合成一個更大的渦，而且上面的渦順時針旋轉，下面渦逆時針旋轉，一部分抵消了它的渦振振動。

正是由于這樣的一個機理和發(fā)明，才使我們做出了對于橋梁技術的一大創(chuàng)新，并且這樣的技術后來又在廣州新光大橋和肇慶西江特大橋得到了非常好的應用。

第二個例子是舟山大陸的連島工程。在舟山大陸連島工程中間一共有五座橋梁，其中我們要講到的這座橋梁就是連接金塘島和冊子島的西堠門大橋。舟山西堠門大橋由于它要跨越非常深的水道，并不是為了通航。

舟山西堠門大橋

舟山西堠門大橋的抗風設計

我們需要把這個跨徑做得非常大，根據當時全世界所具有的經驗，中國的潤揚長江大橋的跨度是1490米，顫振臨界風速只有52米/秒。而丹麥的大海帶大橋是1624米，它的顫振檢驗風速是65米/秒。而我們西堠門大橋的跨度是破紀錄的1650米。

由于橋位所在的位置地處我國東南沿海臺風頻發(fā)地區(qū)，所以它的設計風速特別得高，達到了78.4米/秒，實際上是78米/秒。它也創(chuàng)造了當時世界上所有已經建造的橋梁抗風的紀錄。

為了解決這樣的一個問題，我們提出了在原來的整體箱梁的中間開一個槽，使得它變成了一個分體的箱梁來抵抗風荷載的作用。然后我們通過大量的風洞試驗，證明中間槽的寬度6米和10.6米都可以滿足要求。

我們最后選擇了比較經濟的中間6米槽寬的分體式的鋼箱梁，解決了抗風的問題。而這項技術在四年以后又被韓國的李舜臣大橋所采用，最近丹麥有一座跨海橋梁也將采用這樣一項技術。

港珠澳大橋

我只是非常簡單地列舉了兩個我們所謂抗風中間的技術創(chuàng)新，那么大家肯定會問，剛才我提到了港珠澳大橋，為什么不講講港珠澳大橋的抗風呢？

港珠澳大橋實際上是由三個斜拉橋所組成，其中最大一個斜拉橋的跨度是420米，叫青州航道橋，最小的一個斜拉橋的跨度只有250米，叫江海直達船航道橋。這兩座橋梁的跨徑如果和西堠門大橋做比較的話分別只有四分之一和七分之一，當然它的抗風難度就沒有這么高，所以它也就沒有什么更大的抗風創(chuàng)新。

要知道我們在工程中的創(chuàng)新，不是為了創(chuàng)新而去創(chuàng)新，而是為了結構的安全，為了結構的經濟性而去創(chuàng)新。

所以港珠澳大橋在我們簡單的優(yōu)化以后可以抵御16級的臺風，而臺風山竹大概是14級，可能14級還稍微不到一點。而且它的臺風中心距離港珠澳大橋的軸線還有上百公里，因此我們也就非常容易理解為什么港珠澳大橋什么事都沒有，經歷了臺風的考驗。

中國是橋梁強國嗎？

我們說世界橋梁追求的是橋梁建設技術的創(chuàng)新，而我僅僅是列舉了其中兩個我自己經歷的所謂的技術創(chuàng)新。大家肯定會問，對于我們中國橋梁來講，既然你有這么多的橋在造，也有這么多的技術創(chuàng)新，中國現(xiàn)在橋梁的地位到底是什么？

世界上10座最大跨度的懸索橋，中國占了4席

世界上10座最大跨度的斜拉橋，中國占了6席

世界上10座最大跨度的拱橋，中國占了7席

世界上10座最大跨度的梁橋，中國占了5席

世界上公認的橋梁建設技術強國

第一個是壟斷了1980年之前懸索橋跨度所有世界紀錄的美國；第二個是預應力混凝土之父及大跨度斜拉橋的法國；第三個是現(xiàn)代斜拉橋的創(chuàng)始國以及有強大科技實力的德國；第四個是中小跨度橋梁以及山區(qū)橋梁創(chuàng)新的杰出典范瑞士；第五個是創(chuàng)造并保持懸索橋和斜拉橋跨度世界紀錄的日本；最后一個是跨海工程創(chuàng)新以及擁有世界著名的COWI公司的丹麥。

這六個國家是公認的世界橋梁強國，那么我們總結一下六個國家的情況，我們會看到大概有這樣四個標準。

第一個是重大工程，我們中國有了，而且非常得多；第二個原創(chuàng)技術，我們中國有一些但是還不多；第三個是專家團隊，在這方面我們還有一些欠缺；第四個方面是競爭勝出，所謂競爭而勝出是指在全世界的設計與施工公平競爭中通過招標的方式來勝出，中國正在慢慢地趕上來。

所以我們說中國橋梁重大工程已經非常多了，其他方面還亟待努力，橋梁建設水平代表了一個國家的形象，而且是一個國家科技含量和經濟實力的集中體現(xiàn)。那么正因為這樣我們需要在橋梁方面進行探索，進行創(chuàng)新，進行實踐。

橋架南北，天塹通途

同濟大學作為“橋梁世家”正在探索5000米跨度的懸索橋。懸索橋目前的跨度只有2000米，要做5000米跨度的懸索橋需要何等的勇氣，需要何等的智慧，需要何等的自信。

5000米跨度的懸索橋

我們從2002年開始對這個項目進行了研究，一直到現(xiàn)在已經從整體式的鋼箱梁發(fā)展成了分體式的箱梁，可以使得它的顫振臨界風速提高了接近一倍。同時我們也發(fā)現(xiàn)，在所有的工況中正三度攻角是最不利的，目前在正三度攻角之下還只能夠抵抗12級的臺風。

未來我們希望去探索能夠抵抗更大的臺風，比如講14級、16級等等。我相信在不久的將來，我們一定會取得成功！

大家肯定會問，這么大跨度的橋梁用在什么地方？不是現(xiàn)在2000米就夠了嗎？我可以非常自豪地告訴大家，首先我們可以把這樣的橋梁用在連接我們中華民族的臺灣海峽上。

其次我們可以把這樣的橋梁用在連接歐非大陸的直布羅陀海峽上面。當然，這是要有工程背景和有工程需求的。

5000米跨度橋梁用在哪里

我們說專業(yè)上狹義的橋梁，指的是跨越障礙物通往彼岸的一種通道；生活中廣義的橋梁，是指能夠起到溝通作用的人或者事物。

隨著時代的發(fā)展，我們賦予了橋梁更多的含義，比如我們說橋梁是溝通人與人之間、機構與機構之間、地區(qū)與地區(qū)之間，甚至于國家與國家之間的友好交往的紐帶。

所以為了實現(xiàn)中華民族的偉大復興，讓我們一起來共同建設更多更美好的專業(yè)橋梁和生活上的橋梁！謝謝大家！

1：國際橋梁與結構工程協(xié)會

國際橋梁及結構工程協(xié)會(International Association for Bridge and Structural Engineering)，簡稱：IABSE。成立于1929年，現(xiàn)有3000名會員，來自100多個國家和地區(qū)，是目前會員國最多的國際土木類協(xié)會。中國團組于1976年由李國豪院士創(chuàng)立，同濟大學項海帆院士于2001年當選為 IABSE副主席。2018年9月，同濟大學葛耀君教授當選為IABSE主席，成為該協(xié)會近90年歷史上擔任主席職務的首位中國學者。

2：林同炎

林同炎（1912.11.14——2003.11.15），生于中國福建福州，美國工程院院士，中國科學院外籍院士，加州大學伯克利分校教授。他是預應力混凝土理論及設計領域的奠基人之一，世界聞名的土木工程結構大師。在大跨度橋梁和高層建筑的抗震結構等方面作出了創(chuàng)造性貢獻。