如果沒有抗風設計，大橋就像一個巨型「鞦韆」
造就第385位講者 葛耀君
同濟大學橋樑工程系教授
國際橋樑與結構工程協會主席
大家下午好，我叫葛耀君。我來自「橋樑世家」，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樑工程的專家。
我們三個都是來自同濟大學，所以同濟大學才是「橋樑世家」，而且它是我們新中國第一個橋樑工程學科的誕生地。
「橋樑世家」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，獲得博士學位以後回到同濟大學，1952年在同濟大學創辦了中華人民共和國第一個橋樑工程學科。文化大革命以後，他又出任同濟大學的校長，以後又擔任了名譽校長。他是中國科學院和中國工程院的兩院院士，同時還擔任了上海科協和上海政協的主席。
我的導師項海帆是李國豪教授的第一位研究生，他是文化大革命以後第一批獲得德國洪堡基金赴德國留學的學者。回國以後1987年，他在同濟大學創辦了中國高校歷史上第一個橋樑工程系併兼任系主任。他是我們橋樑抗風研究的開拓者，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，以後又跟他讀了博士。我主要從事的是橋樑抗風的教學和科研工作，並且在項老師之後兼任了同濟大學橋樑工程系主任長達十年。所以我今天自豪地宣稱——我是李國豪教授橋樑工程、項海帆教授橋樑風工程的繼承人。實際上我們同濟大學橋樑工程系60多位老師都可以稱為中國橋樑工程和風工程的繼承人。
力求自主，中國橋樑工程界與日本、英國競爭
要說同濟大學對於中國橋樑最主要的貢獻，就要數呼籲和踐行中國橋樑的自主建設。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，我的導師項海凡教授向時任上海市市長的江澤民同志寫信，呼籲自主建設南浦大橋。在信中項老師是這樣寫到的：
中國的橋樑工程界完全有能力自己設計和建造像黃浦江大橋這樣規模和技術難度的大跨度橋樑，中國工程界需要實踐的機會來提高自己的水平。
這是一個中國的橋樑專家向上海、向全中國發出的中國橋樑自主建設的第一聲吶喊。一個月以後，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噹噹顧問，比如林同炎。[2]
在確定了南浦大橋自主建設以後，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，除了鋼樑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樑界自主建設大跨度橋樑的信心。
但是就在那年的年底，出生於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後親切會見了李國豪教授，並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，五年之後自主建設順利竣工。從此以後中國的橋樑不用問出處，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樑。
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，並且創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。
我們再來看看全中國橋樑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樑，也使得中國成為了全世界第五個能夠建造並且擁有一千米以上跨度橋樑的國家。
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，大橋就像一個巨型鞦韆
那麼當然大家肯定會說既然自主建設了，這是中國橋樑的靈魂，那麼世界橋樑又在追求什麼呢？也許這個問題大家可以找到答案，因為現在到處都在說創新，世界橋樑追求的肯定是創新，那麼在橋樑工程中間，又是怎麼樣來進行創新的呢？
為了回答這個問題，首先我給大家介紹一下橋樑的組成。橋樑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樑結構，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樑基礎，或管它叫橋墩或者橋台。
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，它包括了欄杆、照明、交通標誌、標線等等。這樣就組成了我們一座完整的橋樑。
如果按照橋樑結構的受力情況，我們可以把橋樑分成四種類型。它包括梁橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋。
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。
那麼我們來看看最近兩條關於大橋的新聞。
2018年10月24號，歷時八年建設的港珠澳大橋順利建成通車，並且抵抗住了颱風「山竹」的侵襲。沒想到四天以後，另一則新聞引起了我們的震動，重慶萬州二橋大巴車過江的時候，由於人為事故撞欄墜江，15個在車上的乘客全部遇難。
一紅一白，這兩則新聞不僅吸引著全中國，而且吸引著全世界的目光。
重慶萬州二橋整個大巴車墜江事件，顯然是一起人為的交通事故，由於乘客和司機發生了爭執，以致司機操作失誤、撞欄墜江。這樣一件事情中間，我們可以吸取到什麼教訓呢？我想至少有兩點啟示是非常明確的。
第一條，我們應該提高市民的素質，這需要全社會大家共同的努力。第二條，我們可以增加橋樑的安全，比如我們可以增設橋樑中央的分隔帶，可以增設橋樑兩側的防撞欄杆。但是不管怎麼樣，這樣的一起人為事故是可以避免的。
那麼反過來，如果是自然災害，我們又如何來避免呢？特別是像大風，像颱風，像颶風，一座大跨度的橋樑又如何來抵抗呢？我們下面來看看1940年秋髮生在美國華盛頓州塔科馬大橋可怕的事件。
在一場不是非常大的八級大風的作用之下，塔科馬大橋發生了強烈的震動，並且振動的振幅不斷增大，最後導致整個橋樑上部結構的垮塌，震驚了全世界，從此也揭開了橋樑抗風研究，後來又發展成為風工程研究的序幕。
那麼為什麼會有這樣的一個災難的發生？我們知道，當橋樑結構的跨度達到一定程度的時候，自然風就會激起橋樑結構的振動。這種振動的形式主要表現為三種，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。那麼這個是550米，因此在這樣的一座橋樑中間一定有許多創新，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。
我想說的是其中一項創新，大家可以看一下這是一個盧浦大橋的拱肋,它近似於一個矩形的斷面，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，當然是相比於我們所謂的流線體。
為了克服這樣的鈍體所產生的渦振，我們想了好幾種辦法，然後我們根據數字分析以後發現，最後一種辦法它的效果是最好的，我們把它稱為隔流板。
為什麼隔流板的效果會好？在沒有加隔流板的鈍體上產生上下兩個大渦，最後合成了一個更大更強烈的渦，使得這兩片拱肋發生振動，我們叫渦激振動得以激發。
那麼我們加了這片隔流板以後情況是什麼呢？儘管仍然有兩個渦，但是上下兩個渦合不成一個更大的渦，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。
正是由於這樣的一個機理和發明，才使我們做出了對於橋樑技術的一大創新，並且這樣的技術後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樑，其中我們要講到的這座橋樑就是連接金塘島和冊子島的西堠門大橋。舟山西堠門大橋由於它要跨越非常深的水道，並不是為了通航。
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。
由於橋位所在的位置地處我國東南沿海颱風頻發地區，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。它也創造了當時世界上所有已經建造的橋樑抗風的紀錄。
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。然後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。
我們最後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後又被韓國的李舜臣大橋所採用，最近丹麥有一座跨海橋樑也將採用這樣一項技術。
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新，那麼大家肯定會問，剛才我提到了港珠澳大橋，為什麼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。這兩座橋樑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麼高，所以它也就沒有什麼更大的抗風創新。
要知道我們在工程中的創新，不是為了創新而去創新，而是為了結構的安全，為了結構的經濟性而去創新。
所以港珠澳大橋在我們簡單的優化以後可以抵禦16級的颱風，而颱風山竹大概是14級，可能14級還稍微不到一點。而且它的颱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麼港珠澳大橋什麼事都沒有，經歷了颱風的考驗。
中國是橋樑強國嗎？
我們說世界橋樑追求的是橋樑建設技術的創新，而我僅僅是列舉了其中兩個我自己經歷的所謂的技術創新。大家肯定會問，對於我們中國橋樑來講，既然你有這麼多的橋在造，也有這麼多的技術創新，中國現在橋樑的地位到底是什麼？
下面我們來看四張片子。
第一張所顯示的是全世界已經建成了十座最大跨度的懸索橋，在這個中間中國佔了四席。
第二張片子講的是斜拉橋，十座中間中國佔了六席。
第三張片子講的是大跨度拱橋，我們有七席，另外兩座在美國，一座在澳大利亞。
最後這張片子是梁橋，在十座最大跨度的梁橋中間，中國也有五座。所以平均一下我們可以看到已經超過了一半都在中國。
從這幾張圖上面我們明顯可以看到，中國已經成為了名副其實的橋樑大國，但是在技術上面，中國是不是橋樑強國呢？為了回答這個問題，我們首先來看看六個世界上公認的橋樑建設技術的強國。
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；第三個是現代斜拉橋的創始國以及有強大科技實力的德國；第四個是中小跨度橋樑以及山區橋樑創新的傑出典範瑞士；第五個是創造並保持懸索橋和斜拉橋跨度世界紀錄的日本；最後一個是跨海工程創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樑強國，那麼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。
所以我們說中國橋樑重大工程已經非常多了，其他方面還亟待努力，橋樑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。那麼正因為這樣我們需要在橋樑方面進行探索，進行創新，進行實踐。
橋架南北 天塹通途
同濟大學作為「橋樑世家」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。
我們從2002年開始對這個項目進行了研究，一直到現在已經從整體式的鋼箱梁發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。同時我們也發現，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級的颱風。
未來我們希望去探索能夠抵抗更大的颱風，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，這麼大跨度的橋樑用在什麼地方？不是現在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樑用在連接我們中華民族的台灣海峽上。
其次我們可以把這樣的橋樑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。
我們說專業上狹義的橋樑，指的是跨越障礙物通往彼岸的一種通道；生活中廣義的橋樑，是指能夠起到溝通作用的人或者事物。
隨著時代的發展，我們賦予了橋樑更多的含義，比如我們說橋樑是溝通人與人之間、機構與機構之間、地區與地區之間，甚至於國家與國家之間的友好交往的紐帶。
所以為了實現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橋樑和生活上的橋樑！謝謝大家！
注1：國際橋樑與結構工程協會
國際橋樑及結構工程協會(International Association for Bridge and Structural Engineering)，簡稱：IABSE。成立於1929年，現有3000名會員，來自100多個國家和地區，是目前會員國最多的國際土木類協會。中國團組於1976年由李國豪院士創立，同濟大學項海帆院士於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，成為該協會近90年歷史上擔任主席職務的首位中國學者。
注2：林同炎
林同炎（1912.11.14——2003.11.15），生於中國福建福州，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。在大跨度橋樑和高層建築的抗震結構等方面作出了創造性貢獻。
文字：王銳
校對：其奇
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