本篇报道围绕2018年上海市科技进步奖一等奖项目“双主跨缆索承重桥梁的动力特性优化和风致振动控制”展开，该奖项由同济大学葛耀君教授领衔的团队获得。
桥梁是指架设在江河湖海上，使车辆行人等能顺利通行的构筑物。先秦典籍《鹖冠子•备知》中曾云：“山无径迹，泽无桥梁，不相往来。”今天的桥梁变得越来越现代化，人类的通行体验越来越舒适，在这个过程中也遭遇了越来越多的技术难题。
中国曾经创造了两项世界纪录，武汉二七长江大桥是全世界最大跨度的双主跨斜拉桥，马鞍山长江大桥是全世界最大跨度的双主跨悬索桥之一（世界纪录保持至今，全长36.14千米）。在设计建造中，同济大学葛耀君教授牵头的科研团队创造性地根据桥梁的动力特性，解决了风致振动问题，使得两座大桥坚如磐石，横亘于长江两岸，为我国大跨度桥梁的建设与发展提供了强有力的科技支撑。
让我们来了解下，解决这些难题背后的故事吧！
武汉二七长江大桥是全世界最大跨度的双主跨斜拉桥
马鞍山长江大桥是全世界最大跨度的双主跨悬索桥之一
起源于中国的缆索承重桥梁
缆索承重桥梁是大跨度桥梁的主要桥型，是桥梁轻型化和跨江海通道的主要方案。缆索承重桥梁又有两个桥型，一种是悬索桥，另一种是斜拉桥。
悬索桥主要通过索塔悬挂并锚固于两岸桥塔的缆索（或钢链）作为上部结构主要承重构件的桥梁，桥塔的地基位于河岸两侧的地面上。
单主跨悬索桥结构（理想结构）
斜拉桥又称斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，其桥塔位置位于靠近的陆地的水面上。
双主跨斜拉桥（实际结构）
葛耀君介绍说，我们比较熟悉的早期悬索桥包括位于四川甘孜藏族自治州的泸定桥，红军长征“飞夺泸定桥”的故事就发生在那里。这座长达103.67米，宽3米，由13根锁链组成的桥梁，重达40多吨。泸定桥修建于1705年，滚滚流淌的大渡河，如同一道无法逾越的分水岭，阻碍了川藏之间的物资交流。大河两岸堆积的物资如山，一些无法长时间保存的鲜货因此而糜烂。军队调遣的任务，也因为大渡河无法跨越而受阻。为了解决这一自然难题，当时的康熙皇帝一声令下，就决定修建泸定桥。
事实上，悬索桥就发轫于中国。根据历史记载，早在2000多年前，中国就出现了悬索桥，四川《盐源县志》记：“周赧王三十年（公元前285年）秦置蜀守，固取笮，笮始见于书。至李冰为守（公元前256—251年），造七桥。”而七桥之中有一笮桥，即竹索桥。公元前50年（即汉宣帝甘露4年），当时的四川建成了长达百米的铁索桥。1665年，徐霞客曾撰写过一篇题为《铁索桥记》的游记，文章详细记载了贵州境内一座跨度约为122m的铁索桥。
相比之下，斜拉桥的历史比较短暂。1949年，德国著名的桥梁工程师迪辛格尔（Dishinger）发表了他对斜拉桥的结构体系的研究成果，为现代斜拉桥的诞生和发展奠定了理论基础。1952年，德国莱昂哈特（Leonhardt）教授在世界上第一个设计出现代化斜拉桥——德国杜塞尔多夫跨越莱茵河的大桥。1953年，迪辛格尔与德国承包商德玛格公司承建了瑞典的斯特罗姆松德桥，这是世界上第一座现代斜拉桥。我国于1975年在重庆云阳建成了第一座试验性斜拉桥；1991年，上海南浦大桥建成，开创了我国400米以上特大斜拉桥的先河。目前世界上最长斜拉桥是俄罗斯罗斯基岛桥和中国苏通长江公路大桥。中国也是拥有斜拉桥最多的国家。
风振之恶和塔科马海峡吊桥之殇
对于缆索承重桥梁来说，最大的威胁是风振。葛耀君介绍说，结构风致振动大致可分为两类，一类是自激发散振动，例如颤振和驰振，振动结构可以不断从气流中获取能量，抵消阻尼对振动的衰减作用，从而使振幅不断加大，导致结构风毁，这实际上是一种空气动力失稳现象，对桥梁危害最大。另一类是限幅振动，例如涡激振动和抖振，涡激振动是由结构尾流中产生的周期性交替脱落的旋涡引起，当一个结构物处于另一个结构物的涡列之中，还会激发出不规则的强迫振动，即抖振。涡振和抖振均可在低风速下发生，虽不具破坏性，但会对杆件接头等连接部位造成疲劳破坏。
世界上最有名的风振事故是塔科马海峡吊桥坍塌。1940年7月1日，美国华盛顿州的塔科马海峡吊桥正式通车，该桥长1810米，宽12米，当时为仅次于金门大桥和乔治华盛顿大桥的世界上第三大悬索桥，让人意想不到的是大桥建成后四个月就发生了坍塌。对于塔科马大桥坍塌的原因，专家们并没有达成统一意见。部分工程师认为塔科马吊桥的振动类似于机翼的颤振。以力学大师冯·卡门为代表的另一派专家则认为，塔科马吊桥的主梁是H型断面，和流线型的机翼不同。经过加州理工学院风洞内的模型测试后，冯·卡门猜测这场灾难源于一种现象——卡门涡街。
风振事故之塔科马海峡吊桥坍塌
塔科马海峡吊桥的坍塌使得空气动力学和共振实验成为建筑工程学的必修课。日后，在建设特大桥梁的时候，科学家和工程师都会认真考虑风振对桥梁的影响。
建设双主跨缆索承重大桥
双主跨缆索承重桥梁是近年来出现的新型桥梁建造模式。
“现在悬索桥的一跨世界最高纪录接近2000米，斜拉桥的一跨最高纪录达到1100米。但是如果未来我们要建造超过3000米的特大缆索承重桥梁该怎么做呢？目前国家有建设琼州海峡和台湾海峡跨海大桥的规划。解决的方法就是建设双主跨，甚至多主跨大桥，可以跨越宽阔的大海。特别是台湾海峡中有1万米左右的深水区，多主跨大桥是经济有效的建筑方式。这也是人类桥梁建设能力的又一次飞跃！”葛耀君说。
双主跨缆索承重桥梁比传统的缆索承重桥梁多了中塔结构，而且建筑结构也有很大不同，风振对于两类大桥的影响也是完全不同的。根据测算，单主跨缆索承重桥梁与相应的双主跨缆索承重桥梁之间的动力特性相差可达50%左右。
同济大学葛耀君教授
葛耀君介绍说，传统的缆索承重桥梁布置成两个桥塔借助缆索支撑中间一个主跨，双主跨缆索承重桥梁是为了提升跨越能力增加了一个主跨并形成了三塔支撑两个主跨的新结构。由于中塔无法像两个边塔一样借助墩锚的直接支撑作用提高刚度，使得中塔刚度大幅下降，直接导致双主跨桥梁比单主跨桥梁的动力特性劣化、风致振动加剧，并且直接影响到双主跨缆索承重桥梁的建设与运营安全。
这样的难题该如何解决呢？葛耀君团队采用理论分析和数值计算方法，创造性地提出并在依托工程中实践了提高双主跨斜拉桥和优化双主跨悬索桥中塔刚度的方法，改善了结构动力特性，解决了双主跨缆索承重桥梁自振频率低的难题。
如何让大桥稳若磐石
葛耀君说，我们发现，如果提高斜拉桥中塔的刚度，动力特性就会大幅度改善，而且从理论上说，斜拉桥中塔刚度可以无限增强。但是从实践看，中塔刚度是边塔刚度的6倍是最合适的，而解决方式是加大中塔的刚度，将断面加宽。但是双主跨悬索桥的中塔刚度不能无限增强，双主跨悬索桥主缆和塔顶鞍座之间有摩擦系数，大约在0.2～0.3之间，如果中塔刚度过大，桥梁两侧不平衡受力时会发生滑移，桥梁就会有坍塌的危险。同济大学为首的科研团队做了三种类型的双主跨悬索桥，发现中塔刚度是边塔刚度的2～4倍是最佳选择。
双主跨悬索桥的断面也与单主跨悬索桥不同。葛耀君举例说，马鞍山长江大桥的断面钢箱梁上有个检修车轨道，这是按照传统单主跨悬索桥的模式设计的，但是我们风洞试验下来发现，如果按照这种结构，无法达到抗风的理想效果，所以我们就人为增加了气动措施，满足了安全要求，这些设计也申请了国家发明专利。
武汉鹦鹉洲长江大桥是850米跨度的双主跨悬索桥，在这座大桥建设过程中，科研团队采用了风嘴和上/下稳定板组合颤振气动控制技术，创新性地采用竖向稳定板模式，在保证安全的前提下，为工程方节省了2亿元的建造费用。
双主跨斜拉桥中塔两侧主梁双悬臂施工时，容易产生大幅抖振现象，有巨大的安全隐患。科研团队创造性地增设单侧临时墩的风振控制方法，显著减小了中塔主梁双悬臂端部的风振位移和根部的风振内力，保证了大桥的安全施工。
更有意义的是，这些相关技术已经推广应用于泸州长江六桥、温州瓯江北口大桥和舟山舟岱大桥等的建设，建成多年来，这些大桥稳如磐石，均没有出现过任何安全事故，国际竞争优势明显。
美国工程院院士、国际桥梁维护和安全协会主席、美国里海大学教授、国际著名桥梁专家丹·弗朗戈波尔（Dan M. Frangopol）教授对于中国人的创新设计给予了高度评价，他认为同济的团队专注于双主跨和双桥面的缆索承重桥梁跨越能力的提升，取得了很好的效果。
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