懸索橋你為啥那麼長？矮寨大橋現場聊力學

【文/觀察者網轉專欄作者 馬平】

自拍為敬

大家好，我是一個自媒體人，同時是一個已經離職十年的土木工程師，所以今天來陪大家一起參觀矮寨大橋。不過，我十年前也只是一個普通設計員，不是什麼專家。今天看大橋，我和大家的視角完全一樣，是以一個普通人的身份，一個普通八零後的身份來參觀這座長達千米的懸索橋超級工程。感謝比亞迪公司「王朝之旅」提供這個機會。

現場比這還驚人

說到今天的參觀，我為這座大橋感到震撼，一方面是因為它的尺度真的很大，單跨1公里多，垂直落差幾百米，風景很漂亮；另一方面，這座橋，當然還有21世紀的很多大橋，顛覆了我在20世紀形成的橋樑概念，讓我覺得它的形狀超出了我童年的直觀概念，是科幻電影里才應該有的場景。可以說，21世紀的中國製造，超越了20世紀中國人最瘋狂的想像。

霧天看不到另一端的時候更酷

20世紀，我們中國人造的橋是什麼模樣呢？我和大家共同懷舊，下面幾幅圖應該可以幫助大家回憶20年前的中國。

1

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4

5 留下的一節

矮寨不遠的鳳凰古鎮大橋

我給當時的橋樑總結了幾個特徵：

首先是橋樑的主體受力結構在橋面之下。

其次是橋樑的跨度不大。

第三是和橋樑的跨度比，橋樑的結構比較「厚重」，

根據這三個特徵，我可以再找一座大家都認識的橋：

趙州橋

可以看到，20世紀我們修的大多橋都沒有明顯超出趙州橋的水平。而且當時的工程師還很喜歡修趙州橋這種拱橋。當然，20世紀的現代橋樑荷載比趙州橋要大，上面可以開卡車，但從受力方式，從審美角度來說，甚至從單跨長度來說，二三十年前的中國城市橋樑還真的未必比1500年前的趙州橋強很多。畢竟趙州橋是古代橋樑幾千年篩選下來的優秀設計，我們日常見到的橋樑只是普通設計師和施工隊造的。這就是20世紀中國製造的水平。

就算是當時的國家級工程，也符合上面說的幾個主要特徵。我小的時候，武漢長江大橋印在人民幣上，南京長江大橋印在小學語文課本上。從待遇來看，這絕對是國家級項目，是當時中國製造的最高水平。

記得這張錢嗎

武漢長江大橋

我的小學語文課本

南京長江大橋

但我們看這兩座橋，從汽車的視角來看，橋的主體結構還是在橋面下面；橋樑的總跨度雖然能過長江，但最大的單跨也只有100多米，相對橋樑的高度和長江的寬度來說，算得上很小，從視覺上看還是顯得橋樑很「厚」。

大家可以想像一下，現在再編小學課本，再發行新的鈔票，會把什麼樣的橋畫上去？今天參觀的矮寨大橋顯然是有資格入選的。但拋開這種工業奇蹟不說，就說我日常生活中經常遇到的橋，也和幾十年前的完全不一樣。一般來說，開車在橋面上行駛的時候，我們習慣於到受力結構在我們的身邊，甚至在頭頂，不是在腳下。而幾十米，上百米甚至幾百米的大河或者山谷，一般都沒有橋墩下去，一跨就過。至於橋面厚度，和橋樑的高度比，和跨度比，從遠處看過去簡直就像一張紙，但我們也不會覺得不安全。這就是現代大橋的特徵，是我從一座橋就能看出時代感的原因。我平時生活在上海，用身邊的橋給大家舉幾個例子。

盧浦大橋

楊浦大橋

蘇通大橋

為什麼會有這種變化呢？本質上就是中國工業發生了質變。為了幫助大家理解中國工業和大橋之間的聯繫，我略微介紹一點力學。大家不用擔心看不懂，因為接下來我一個公式甚至一個數字都不會說，只給大家看幾張原創圖片。

首先，我們為什麼要修橋？因為要跨過河流和山谷，因為地球重力把我們往下拽，如果沒有橋面托著，我們就會掉下去。所以，橋樑主要克服的是重力，是垂直荷載。

如果是一根柱子，或者一堵牆，那麼垂直荷載製造的主要是壓力，但我們之所以要修橋，就是要在橋下留下空隙，讓水或者其他的車輛通過，否則橋和路就沒區別了。

一根柱子好解釋

但不能把柱子排起來，那是牆不是橋

簡單地說，橋必須懸空，必須在橋面下面留空間。但只要橋面懸空，橋樑的垂直荷載就立刻會產生水平方向的應力，這是修橋最主要的問題。大家都注意過過去工地上的水泥預製板吧，只有一面有鋼筋。因為這些預製板是用來當樓板的，懸空受到垂直荷載的時候，下面有伸長的趨勢，受拉力；上面有收縮的趨勢，受壓力。混凝土能受壓不能受拉，所以要在下面布置鋼筋承受拉力。

上面受壓，下面受拉，中間呢？

注意：預製板是分上下的。下面幾塊預製板擺放正確，鋼筋分布在下表面受拉。

反了會塌的

橋樑和樓板一樣，在懸空的情況下，我們必須先解決水平向受拉和受壓的問題，然後才能把垂直的荷載傳導到地上。如果我們簡單地把一根梁（板）搭在小河兩岸，也會像預製板那樣，上面受壓，下面受拉。這樣的橋板如果經受住了垂直荷載，我們就稱之為簡支板梁橋，是最簡單的橋型，適合用來修小橋。

隨著橋越來越大，當然考慮到節約材料，優化結構。不難想到，既然橋樑的上面用來受壓，下面用來受拉，中間豈不是浪費了？（注意上面那張示意圖，上下表面中間的部分長度不變，不受力）所以，回頭看上面的照片，預製板中間有孔，就是為了節約不受力的那部分材料。工字梁和箱型梁甚至會直接把中間挖空，只保留必要的連接部分。

工字鋼

箱梁，肚子是空的

這個思路繼續發展下去，就是桁架橋，中間徹底挖空，可以用來鋪路，讓車輛通過。南京長江大橋的鐵路就在桁架中間通過。我們今天走的矮寨大橋，為了承受兩個拉杆之間的荷載，橋面也是一個比較薄的桁架。總之，一座現代化橋樑，要盡量避免在受拉和受壓的部件之間浪費材料。

典型桁架橋

南京長江大橋，鐵路在上下桁架之間通過。

矮寨大橋也有桁架

但這還不夠，因為從理論上說，既然汽車可以在受拉和受壓部分之間開過去，橋下的水流沒必要一定在橋樑「外面」通過，我們完全可以把橋樑「受拉」或是「受壓」的部分做的大一點，大到可以把地球作為橋樑的另外一部分。讓地球承受壓力，橋樑自己承受拉力；或者地球承受拉力，橋樑只承受壓力。

比如說拱橋，受力模式是這樣的：（綠色是橋面，黑色是荷載，紅色是受壓構件，藍色是受拉構件，虛線為虛擬受力線）

多年不畫

如圖所示，拱橋整體受壓，通過兩側的基礎，向兩側傳遞壓力。這意味著人類修築的部分在「上」，用來受壓，而地球在下，被兩個基礎「拉開」。只要基礎修的好，地球是不會被「拉」壞的，所以我們只需要建造受壓部分，節約了很多材料。

另一種思路是我們只修受「拉」的部分，讓地球承受壓力。比如說我們今天看的矮寨大橋是懸索橋。主要受力結構只受拉，不受壓，但實際上通過兩側的錨栓，向地球傳遞拉力，客觀上是把兩側的山體向中間「壓」。

都受拉，水平方向誰受壓？

我們可以設想，有一個虛擬受壓的桿（紅色虛線）從空中通過，從兩側承受壓力。這個桿的功能是由地球來替代的。（下圖紅色實線）可以說，這就是把拱橋的結構倒過來。（斜拉橋也可以看斜撐在峽谷上的橋倒過來。）

還是倒霉的地球

拱橋和懸索橋的受力模式雖然相反，但都用地球替代了一半的受力構件，而且不用考慮受拉麵和受壓面之間的連接，在力學上是最有利的兩種結構。我們對比一下懸索橋和拱橋這兩種極端情況，哪一種更有利呢？首先必須說，在工程上沒有絕對的優劣。但是，只從理論上說，如果橋的跨度越來越大，懸索橋受拉比拱橋受壓是有利的。因為材料做不到絕對均勻，肯定有結實的部分，有不那麼結實的部分。受力也不會絕對均勻。無論受壓受拉，截面上肯定有一部分受力更大，或者有一部分更容易變形。

在受拉的時候，不那麼結實的部分，或者是受力比較大的部分被拉長，受力就會分到更結實的部分，分到其他受力小的部分。而受拉構件整體上依然保持直線。只要整體上承受能力足夠，橋的形狀就不會變，就不會擴大破壞面。

受拉考驗的是整體承受能力

但受壓的時候不一樣，不那麼結實的部分被壓縮，整個結構會彎過來，在薄弱的地方施加更大的壓力。越是彎曲，薄弱的地方就越危險。等到薄弱的地方被壓壞，或者說在彎曲的情況下被掰斷，橋就垮了。這在工程上稱為「失穩」。所以，拱橋，尤其是大跨度拱橋是不能充分利用壓力的。拱橋一般修到幾百米就是極限，不會用來跨越矮寨大橋這種一公里的峽谷。

受壓的時候，越是薄弱點，越要壓擔子，局部破壞會擴大

受拉件只需要考慮整體承受能力，受壓構件的局部受壓能力必須折減。如此看來，矮寨大橋這種懸索橋應該是最有利的橋型。一方面只受拉，不受壓，把壓力轉移給地球。另一方面又不像拱橋那樣容易失穩。但是，就我過去的幾十年觀感——相信也是各位近幾十年的觀感來說，大多數橋樑要麼是拱橋，要麼是修很多橋墩的連續小跨徑橋，很少有矮寨大橋這種懸索橋，也很少有斜拉橋。甚至長江大橋都可以修拱橋。以至於我們這些生於20世紀的人，看到現在的新式大橋會有科幻感。為什麼會有這種反差呢？

缺鋼筋，所以上百米的橋還是石拱橋，和趙州橋一回事

萬縣大橋，跨長江都用拱橋

前面我們提到過，混凝土和石頭的抗壓能力比較強，鋼材的抗拉能力相對更強。所以鋼產量少的時候，我們就盡量多造那些受壓部件多的橋，最好是拱橋。而且是那種拱圈在下的拱橋，免得還要設拉杆。這就是為什麼過去的橋樑拱橋多，橋墩多，橋面一般在上。當然了，這樣的橋跨度也大不了，遇到矮寨大橋這種峽谷，就要花一兩個小時從盤山公路下去，到達小橋能跨越的地方，過河後再慢慢地繞上去。

峽谷底部有小橋

現在我們中國是世界第一鋼產量大國，以20%的人口生產全世界一半的鋼材，所以我們有足夠的鋼材用來製造受拉構件。包括樓房裡的鋼筋，包括鋼樑，也包括大橋上的鋼纜。今天去看的矮寨大橋，纜繩全部是國產的。

中國的崛起

我剛剛看了新聞，今年上半年中國的鋼產量是4.2億噸，超出世界一半。你可以說這裡面有生產力過剩，有污染，但無論如何，這意味著鋼鐵行業的下游產業可以得到充足、廉價的供應，可以隨便使用之前不敢想像的材料。絕大多數工業部門的設計師，在鋼鐵的支持下都可以落實此前不敢想像的創意。所以我們看到了一個相對30年前很科幻的中國。

今年已經過半，圖落後了

鋼產量改變我們的生活，不止是在交通方面。比如說現代中國人的愛情也被鋼產量塑造了。因為談戀愛需要兩個人有私密空間，而私密空間就需要多蓋房子。過去房子不夠，無論城市農村，幾代人住在一起是常態，所以父母包辦婚姻也是常態。現在的年輕人，就算是普通工人，兩個人工資放到一起也可以租一個房間。如果沒有足夠的鋼產量，造不出足夠多的獨立房間，就沒有今天年輕人的自由結婚，自由戀愛。和我們父母，我們的祖父母一代相比，製造業對生活方式的改造，可能比交通方式的改變更劇烈，更有科幻感。

當然，這個科幻感是相對我們國家的過去而言的。橫向比較，美國這樣的國家在我出生前，甚至在我的父母出生以前，就已經製造了很驚人的建築，過上了工業化的生活。比如說，金門大橋是1937年造的，曼哈頓大橋是1909年修的，紐約布魯克林大橋是1883年修的——那一年甲午戰爭還沒打，毛澤東還要十年才出生。對於我們中國人來說，那一年也不是1883年，而是光緒九年。

1937 金門橋

1909年曼哈頓大橋

1883年布魯克林大橋

之所以美國人在一個世紀前就能修這種超級工程，就是因為當時美國工業很強大。我們中國現在是在補課，雖然在很多方面，尤其是土木工程方面已經超過了美國，但和當年落後的距離相比，我們現在的領先還很有限，還需要繼續發展製造業。沒有發達的製造業，設計師再多的創意也沒法落實。懸索橋這種橋形本來出現的很早，長征時通過的那個瀘定橋就是懸索橋。但一直到鋼產量以億噸計，大跨度懸索橋和斜拉橋才變成我們國家的主流橋形。

瀘定橋

為什麼鋼鐵是製造業的基礎呢？因為，從歷史上看，工業最重要的就是兩點，第一是材料，第二是能源。只要突破了這兩個問題，其他行業的工程師才能發揮自己的創造力。第一次工業革命，能源方面的突破是蒸汽機替代人力，材料方面是鐵替代木頭，這次革命把我們人類帶進工業時代。第二次工業革命，能源方面是電動機、內燃機，材料方面是鋼材，把工業從鐵路沿線推到整個世界。

中學知識

現在已經是第三次工業革命了，碳纖維、石墨烯行業是解決材料問題；在海里挖可燃冰，還有太陽能，就是解決能源問題。但也要看到，在第二次工業革命的層次上，中國還有很多地方要補課，還要追趕西方最先進的工業部門。比如說汽車就是典型的第二次工業革命產物，我們中國汽車產量剛剛達到世界第一沒幾年，優勢還不像鋼鐵工業那麼大，在發動機、變速箱這些方面還有很多細節趕不上人家。至於飛機和飛機發動機，那差的就更遠了。

中國現在搞新能源汽車，實際上就是在利用第二次工業革命的結構性機遇，用第三次工業革命的技術來補上第二次工業革命的差距。我前面提到，第一次工業革命的能源是蒸汽機，第二次工業革命就是內燃機和電動機。為什麼第二次工業革命的主要動力機有兩種呢？

作為資深的駕駛員，這個原因大家都知道。因為電池的能量密度太低，電動機用在固定的場合很合適，但一旦運動起來，拖不動能長期驅動自己的電池。所以，在固定的場合，比如工廠，我們能用電就用電；在有軌道的時候，我們也盡量通過軌道輸電，給交通工具用電動機，比如說電力機車，城市電車。但是如果連軌道都沒有，一般只能靠燒油的內燃機了。這就是為什麼汽車離不開加油站的原因。

另外，電池要保證電壓和電流，必須幾十幾百個連在一起才能驅動發動機。但如果其中某個電池出了問題，老化了，不僅不能貢獻電力，還可能成為整個系統的負擔，影響其他電池的發揮。要是駕駛員一邊開車，一邊還要操心電池組的安排，要更換電池，也是沒法工作的。所以燃油發動機是交通工具的主流。

到了21世紀，一方面化學進步提高了電池的能量密度，另一方面計算機越來越便宜，可以裝在車上管理電池組。我們終於可以從新的捷徑去追趕第二次工業革命的欠賬了，在這個歷史環境下，可以說，我們中國作為世界第一工業大國，就應該誕生一批強大的新能源汽車公司。比亞迪在這種環境下崛起，可以說是應運而生，符合歷史的發展趨勢。

我查了一下比亞迪的歷史，2003年之前，這是一家比較純粹的電池生產廠。2003年開始，比亞迪開始造汽車，推動中國汽車工業彎道超車，追趕歐美已經很成熟的內燃機汽車企業。很巧，就在那幾年，中國互聯網文學也開始起飛，2003年出現了一部標誌性的軍事科幻小說《醒獅》。

十四年過去了，回頭看這本小說，寫作水平一般，但是內容很有代表性。作者在2003年就意識到，中國的國力在今後幾年將有爆炸性增長，將從一個重要的工業國家成長為全球最大的工業國，最終要藉助這個國力顛覆世界秩序。這本書最重要的設定就是「金龍電池」，一種超高密度電池，能顛覆整個軍事工業和民用工業的電池。藉助這種電池，中國製造了功能最強的手機，研發了先進的飛機，還有電力坦克，在東面解放台灣，控制東南亞，在西面翻越青藏高原，解放錫金，打敗印度，和現在的國際形勢多少有些相似。

《醒獅》開頭

《醒獅》金龍電池

《醒獅》 電池性能

《醒獅》 錫金之戰

14年後的今天，再看幾張當年小說的預測。雖然裡面提出的技術指標和國際形勢有些偏差，但我們能發現，2003年已經有人認識到電池技術和整個國家發展戰略之間的關係，期望中國通過發展電池技術來打破歐美在第二次工業革命中形成的領跑地位。這正是比亞迪和很多中國企業正在做的事情。

現在，中國東部大多數城市都能看到比亞迪的品牌，尤其是滿街都是不燒油的電動公交車。這對20世紀的我來說，已經很科幻了。而汽車的電力供應足了，不僅僅是改變了汽車的動力來源，也給汽車的智能化提供了機遇。過去燃油車那個小電瓶的電量太小，如果汽車全面智能化，如果將來的汽車轉向自動駕駛，要在旅途中給我們提供辦公室一樣的辦公環境，靠過去的汽油發動機加電瓶是拖不動的，只有新能源汽車能解決這些問題。可以預計，5年，10年後，中國街頭的汽車還會繼續給我更新的科幻感。

我們今天來參觀矮寨大橋，看到了鋼鐵工業的進步改變了中國橋樑的形態，讓中國趕上了美國的水平。我相信，作為中國製造的基礎之一，比亞迪在新能源方面的進步，也會讓我們在汽車和其他行業趕超歐美髮達國家。再過幾年，等到新能源這個基礎再紮實，就能把更多的汽車打進歐美主流市場，來自外國的專家也會覺得我們代表製造業的未來，到中國給我們做錦上添花的工作。相信在新能源汽車方面，中國人也能創造出不遜於矮寨大橋的奇蹟。

謝謝大家。

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