分享
查看: 127|回复: 0

美国金门大桥,曾经是世界上最长和最高的悬索桥

[复制链接]

美国金门大桥,曾经是世界上最长和最高的悬索桥

发表于 2021-4-17 10:07:03 阅读模式 倒序浏览
127 0 查看全部
钢结构设计

steelercn

“钢结构设计”公众号,致力于推广工程行业新理论、新技术、新工艺、新材料及大量工程实例,搭建一个工程行业交流的平台。 了解相关知识,请留言; 欢迎投稿,邮箱:steeler@steeler.cn;QQ:1356745727;

点击上方"钢结构设计",关注我


来源:钢结构博物馆


位于美国加利福尼亚州金门海峡上、连接旧金山市区和北部马林县的金门大桥(Golden Gate Bridge)是世界上最著名的桥梁之一,它以惊艳的外观、独特的颜色和精妙的建造技术著称于世。大桥由美国工程师约瑟夫·施特劳斯(Joseph Strauss)设计,全长2737米,最大跨度1280米,于1933年1月5日动工兴建,1937年5月27日建成开放,历时4年半。当年的美国是当之无愧的基建狂魔。


在钢结构博物馆,收藏有金门大桥原始钢缆(局部)1段、铆钉1枚,以及主题纪念币、股权证明(复制品)等相关藏品。其中钢缆长11厘米,直径7.5厘米,重2200克;铆钉通长10厘米,钉头直径4厘米,重370克。虽然历经风雨,钢缆和钉头上独特的国际橘色依然十分清晰,令观众对金门大桥这座“奇迹工程”神往不已。


钢结构博物馆馆藏美国金门大桥钢缆、铆钉


加州锁钥


金门海峡是旧金山湾通向太平洋的一条水道,东西长约8公里,南北宽1.6~3公里,它的存在是造成旧金山湾潮水、烈风、大雾和空气含盐量高的重要原因。尤其是当陆地上的空气温度高于海洋时,海峡就会弥漫大雾。在金门大桥建成前,从旧金山到北加利福尼亚的交通只能依赖轮渡,但是问题也显而易见——天气不好时,人们只能在岸边耐心等待。由于缺乏与周边地区永久而便捷的联系,当时旧金山市的经济增长率低于全美平均水平。


19世纪末的金门海峡


在旧金山湾建设一座桥梁的想法由来已久。早在1869年8月,约书亚·诺顿首次提出建设大桥的想法,不过他主张的建桥地点是在旧金山东部的奥克兰。跨越金门海峡建造桥梁的想法始于1872年,当时中央太平洋铁路公司的建筑商查尔斯·克罗克向马林县当局提交了建设悬索桥的方案,但是由于成本过高遭到舍弃,建桥设想也由此蛰伏了40多年。直到1916 年,记者詹姆斯·威尔金斯在《旧金山新闻简报》上重提建桥之事,并着重指出其对促进海峡两岸经济繁荣的意义,才引起大家的重视。不过,当局委派的城市工程师迈克尔·奥肖内西估算大桥工程成本需要1亿美元,这在当时是完全不切实际的。他到处询问桥梁工程师们能否降低造价,得到约瑟夫·施特劳斯的响应——这位结构工程师的毕业论文是设计一座长89公里、横贯白令海峡的铁路桥,并且当时他在内陆已经完成了大约400座桥梁工程,还拥有两种桥梁悬臂结构的专利。施特劳斯提出建造一座混合悬臂吊桥的设想,即利用悬臂原理,由两岸巨大的悬臂与中央悬挂部分相连接,并承诺用1700万美元完成工程。


约瑟夫·施特劳斯(Joseph Strauss)


各界对这一工程的反映不一,并发生数次激烈的论战。美国军队关注大桥对船只航行的影响,海军担心一旦桥梁发生碰撞遭到破坏,会阻塞进入其主要港口的通道;工会希望保证当地建筑工人可以优先就业;加州最大的商业体之一南太平洋铁路公司担心桥梁的建成会影响自己的轮渡生意,因此对工程提起诉讼……好在支持者也大有人在。在1924年5月举行的第二次听证会上,战争部批准了土地转让;当时刚刚起步的汽车行业也支持道路和桥梁发展,以便增加民众对汽车的需求。


施特劳斯先后用了10年时间在北加州说服及召集支持者,在多位建筑师、工程师、设计师的集思广益下,他的方案最终获得批准。这一方案在当时绝对是大胆和超前的,因为此前的桥孔跨径多为几十米,很少能够超过400米。施特劳斯独创性地采用悬臂吊桥的方案,省略桥墩而将桥身架设在两岸的桥塔上,使大桥跨径一举拉大到1280米,震惊了当时的桥梁界。金门大桥的名字也在1923年州议会通过《金门大桥和公路区》法案后得以正式确定。

施特劳斯1921年的方案


值得一提的是,方案之所以获得通过也可能与当年的经济形势有关。当时适逢经济大萧条,工程项目管理方受到罗斯福总统的鼓励,运用联邦基金建造公共工程来制造更多的就业机会,以减轻经济萧条带来的负面影响。这也正好成就了施特劳斯的天才设想。


历经艰险


1933年,施特劳斯指挥工人在南侧桥墩奠基处安放了一块来自他的母校辛辛那提大学的砖头,一座史无前例的大桥项目就此开工。


金门大桥的施工顺序主要是锚碇、桥墩、桥塔的建造,主缆的编织与架设以及桥面的铺设和浇筑。施工人员首先挖掉南北两侧的山坡,在其中注入足够多的凝固物,将能够抗12万吨缆索拉力的铁锚固定好。大桥北侧的桥墩围堰围好后,他们把水抽干,往里面注入上万吨的混凝土。南侧的桥墩因为在30米深的水下,施特劳斯和助手们于是建造了一个400多米长的支架,从海岸伸出,然后用一个30多米深的永久性防御物围住桥墩地基。桥塔的施工方式是先在每座桥塔的两个支柱间建造一个支撑起重机的临时平台,平台上的起重机将桥塔部件吊到相应高度装设。平台和起重机随着越来越高的支柱往上升高,桥塔也由此建成。桥塔水面以上的高度达到227米,相当于约70层楼的高度,每座桥塔各使用了60万枚铆钉进行固定。


正在桥塔顶端工作的工人


两座巨型桥塔完工后,施工人员开始编织承受百万吨大桥重量的悬索。一艘艘货船运载着沉甸甸的钢材,经由巴拿马运河驶向旧金山。滑轮在高耸的桥塔顶端吱呀作响,工人们将钢缆穿过塔顶的桥孔,再下拉固定在桥两侧 6000吨重的陆地锚碇上,垂挂在主缆上的悬索则用来提拉桥面。两条主钢缆每条直径92.7厘米,重6412吨,由27572根细钢丝组合绞成,两条钢缆所用钢丝的总长度将近13万公里,足以绕地球赤道3周。接着, 大桥两边的起重机把驳船上的钢材吊起,开始往中间铺设桥板。这是最危险的工序,桥面和水面距离数十米,而工人们要在1.8~2.4米宽、没有扶手的钢梁上操作,危险性可想而知。主钢缆和桥身之间则通过250对垂直吊索连接。


施工工人捆扎钢缆


经过4年3个月的艰苦奋战,花费大约3500万美元、耗费约10万吨钢材的金门大桥胜利完工。1937年5月27日在桥上举办了盛大的竣工庆典,约20万人涌上大桥,人们欢呼雀跃,有的甚至穿着旱冰鞋在桥上滑行。次日,罗斯福总统在白宫按下电钮,正式宣布金门大桥通车。


竣工仪式次日的媒体报道


遗憾的是,大桥的设计者施特劳斯并未长久地享受这份荣耀。大桥竣工一年后,他因为病痛离开人世。后人在大桥的入口处为他塑造了一个巨大的铜像,以缅怀这位治学严谨的设计大师以及他在近代桥梁史上所创造的奇迹。


科学创新


金门大桥是技术进步和科学管理的完美结晶,体现了工程师严谨细致的科学精神。在20世纪30年代,别说普通的电子计算机,就连数字计算器都还没有,数以万次计的复杂结构计算完全靠工程师凭借计算尺,花费将近2年时间完成。

金门大桥的长度、跨度和高度


施特劳斯最早在1921年提交的方案采用的是混合悬臂吊桥结构,这一方案在后续的论证中进行了一定修正,但是由于公众担心破坏当地环境,仍然遭到反对。于是他联合其他两位工程师查尔斯·埃利斯和莱昂·莫伊塞弗,开始大胆探索当时业界尚有难度的4000英尺(约1200米)以上的悬索桥。莫伊塞弗是1909年曼哈顿悬索桥的缆索设计师,他把自己的经验分享出来并进行探讨,最终在他们的共同努力下,大桥方案改为纯悬索桥。与此同时,冶金技术的进步增加了大跨径桥梁在材料上的可行性,主跨首次突破1000米的乔治·华盛顿悬索桥在1931年成功建成也强化了工程师们的信心。尽管施特劳斯成功地将自己归功为对大桥设计和愿景负有最大责任的人,但是客观地说,金门大桥更是公众参与和集体智慧的成果。



建设中的金门大桥


技术方面的创新尤其体现在南侧桥墩的建造上。如前所述,按照施特劳斯最终的方案,南侧桥墩需要建在距离海岸300多米、位于水下30米的岩石上。为此他们首先建造了一个长400米、从海岸延伸到桥墩所在位置的钢铁栈桥支架,不幸的是,在1933年8月栈桥结构即将竣工的时候,浓雾中驶来的船只撞毁了90米长的支架,10月31日突如其来的风暴又将剩余244米支架刮散。时间和材料的限制逼迫工程师团队不得不调整施工方法,采用木桩结构取代钢铁结构,因为圆滚滚的木桩结构不仅可以快速建造到位,而且其在面对潮水冲击时受到的冲击更小。木栈桥结构于1934年3月8日完工后,施工团队又吸取潮水破坏的教训,决定把桥墩围堰的深度从19.8米加深到30.5米,并放弃原定的沉箱法,选择直接使用混凝土浇筑围堰,在围堰内建造混凝土墩台。1934年3月22日,高矽土材质的混凝土倾注其中,并嵌入桥塔结构,南侧桥墩最终于1935年底完成。


南侧桥墩施工示意图


在工程管理方面,金门大桥也实施了很多新的举措。为解决建桥资金短缺问题,管理方通过发行债券募集资金,并通过征求过桥费偿还本金和利息,所有3500万美元本金和3900万美元利息,直到1977年才全部还清。为加快建桥进度,工程师们制定了严格的时间规划表,并采用平行工序法,力争相同、相近工序同时完成,以减少工序间不必要的等待时间。建桥期间,施特劳斯坚持采用桥梁史上最严格的安全预防措施:加装安全网,强制佩戴安全帽,精心制作饮食等。有资料显示,该工程虽然不是第一个使用安全帽,但却是第一个强制使用安全帽的工程。因此,尽管施工环境恶劣,在4年多的施工期间只有11名工人不幸死亡,打破了当时每耗资100万美元死亡1名工人的业内常规。


施工工人按要求佩戴安全帽


事实证明,金门大桥的设计建设是科学可靠的,80多年来,它经受住了多次暴风、浓雾、潮水和地震的考验,仅因为天气原因关闭过3次。尤其是1989年发生的7.1级洛马普里塔地震,导致美国众多桥梁因出现事故关闭,而金门大桥的整体结构完好无损。当然这也得益于持续的维修和改良。1996年翻新后,它足以经受90秒里氏8.3级地震的冲击。


橘色之谜


金门大桥所采用的国际橘(International Orange)也是它广为称道的特色之一。颜色由参与大桥建设的建筑师艾尔文·莫罗选用,他认为这种颜色看起来与金门海峡周边的环境更加协调,并且可以使大桥在海峡常见的大雾中更加醒目。莫罗同时也负责设计了桥塔的总体形状、照明方案以及装饰元素,包括楼塔装饰、路灯、栏杆和人行道等。


浓雾中的金门大桥


不过国际橘并不是最初的方案。按照美国海军的设想,金门大桥应该被涂成黑色,然后刷上黄色条纹,以起到警示作用。而国际橘的选用也纯属偶然:一开始没有人想到要用这种颜色,只是当裹着一层橙红色底漆的钢材运来时,莫罗才发现国际橘的绝妙之处。


油漆是日常维护工作的重要内容


国际橘实际上是金门大桥表层油漆的颜色。在金门海峡富含氧气、水分和盐分的空气中,钢铁桥塔和钢缆极易发生氧化,危及桥梁安全。工程师们在大桥兴建之初就考虑了防锈问题,桥梁最初涂有红色铅底漆和铅基面漆,并根据需要进行修补。1960年代中期,通过剥离原始涂料并用硅酸锌底漆和乙烯基面漆重涂桥梁,开始了一项改善腐蚀防护的计划。1990年以来,出于空气质量的原因,一直使用丙烯酸面漆。现在,对桥梁面漆进行维护是一项常规任务,38名油漆工负责修补遭受严重腐蚀的油漆。


 另类圣地 


如前所述,施特劳斯在建桥过程中非常注重施工安全,他花费巨资在桥面下侧预先安装了安全网。正因为此,整个金门大桥工程在施工期间只有11名工人坠落身亡,另有19名工人因跌落安全网获救。这些获救的人戏称自己为“通往地狱途中俱乐部”成员。



关于“通往地狱途中俱乐部”的新闻报道


有人为获救感到庆幸,有人则主动开启自己的地狱之门。和世界其他高大建筑一样,金门大桥竣工以后,很快成为自杀者趋之若鹜的“圣地”。金门大桥桥面以下净空约70米,根据测算,人跳下以后到达水面的时间仅需4秒,而坠落的时速高达120公里。自1937年8月7日哈洛尔德·沃伯尔从桥上跳海自杀后,截至2013年,先后有1653人在金门大桥上结束了自己的生命,另有30多人跳海后侥幸生还。这些生还者都有两个共同特点: 一是他们都是脚先入水, 且入水角度非常小 (即使如此, 他们的身体全都有严重内外伤); 二是所有的自杀者在空中都后悔了他们的愚蠢举动。


加装防护网施工


金门大桥之所以成为广受欢迎的死亡见证者,或许是因为在一抹橘色中跃入蓝色海洋,象征着某种原始的回归,亦或因为金门大桥的宏伟壮丽,让生命的终结得到了升华。但无论如何,防止人们在此轻生一直都是令当地政府头疼的问题。1990年代,桥上安装了十几部直通防自杀热线的黄色紧急电话,此外还有工作人员每天驾车在大桥上往返,寻找那些可能有自杀冲动的人。2005年,大桥管理委员会决定投资在两侧安装伸出桥面6米的防护网,以阻止自杀者跌入海中。这项工程总预算超过2亿美元,从2017年4月开始安装,周期4年,但计划本身不无争议,工期也因为各种问题一再迟延,最新的完工时间是2024年4月。


远眺金门大桥


金门大桥曾经是世界上最长和最高的悬索桥,时至今日,尽管这些记录早已被一一打破,但是其作为“现代工程奇迹”的地位依然牢不可破。它是世界上最繁忙的桥梁之一,每天约有10万辆汽车由此通过;它将周边几座小城镇连接成人口众多的大都市,大大促进了旧金山湾地区的发展和融合。金门大桥也以雄伟磅礴的气势,每年吸引着世界各地的数几百万游客慕名而来。

参考文献:

[1]荣智慧.金门大桥:天堑变通途[J].看世界,2019(07):22-25.

[2]徐冬梅,王大明.旧金山金门大桥建设的技术与管理创新[J].工程研究-跨学科视野中的工程,2015,7(01):106-115.

[3]托马斯.为金门大桥架起求生之网[J].科学大观园,2015(20):26-27.

[4]王滨.金门大桥——70年述说不完的故事[J].知识就是力量,2007(05):74-76.

[5]沈聚敏.金门大桥抗震加固与翻新[J].国际学术动态,1997(02):65-67.

[6]Richard Thomas Loomis. The History of the Building of the Golden Gate Bridge. 1958.

[7]Harvey Schwartz. Building the Golden Gate Bridge: A Workers' Oral History. 2015.


(文中部分配图来自网络,如有问题请联系钢结构博物馆)


来源:钢结构博物馆


编辑:梁彦韵

校对:陈   瑶

审核:张利锋



小编那么拼,点个 在看 再走呗!

回复

使用道具 举报

游客~
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

网站地图|手机版|临时封禁人员| 钢构人GangGouRen.com ( 沪ICP备2021003393号 )

© 2021 钢构人GangGouRen.com Powered by Discuz! X3.4