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阿基米德桥

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  • 基本解释

    阿基米德桥 -简介

    阿基米德桥是利用悬浮隧道技术,通过锚来固定的水下隧道。阿基米德桥依据阿基米德浮力定律而建造,其横截面呈椭圆形或圆形,正中为公路,分为上下两层,单向行驶,两侧为铁路。其体积所产生的浮力足以使它浮在水中,因此需要用钢缆将其固定于水下,以免浮力过大而上升,影响水面船只航行。

    发展史

    阿基米德桥的概念最早是在20世纪初提出的。20世纪60年代,英国人曾就意大利墨西拿海峡的阿基米德桥提出了概念设计。意大利阿基米德桥公司成立于1984年,其重要业务之一就是推动阿基米德桥的设计和实现。上世纪90年代后期,阿基米德桥公司曾和中国浙江省有关部门合作,致力于在舟山群岛建设金塘海峡阿基米德桥,后因种种原因设计方案未被采纳。

    由想象到现在也已有上百年的历史。经过长时期的酝酿,特别是很多离岸海洋工程的建造技术的发展,SFT的设计思想才日臻成熟起来。意大利学者Faggiano and Mazzolani, 2001对此进行了大量可行性研究,旨在使SFT概念及其基本设计理念更为实用化。具有里程碑意义的是1969年Alan Grant 对跨麦森纳海湾( Messina Strait)提出的阿基米德桥的结构设计。它由三个增强混凝土圆管构成,外边用钢管保护。锚固系统是斜拉钢索。

    支撑方式

    阿基米德桥有三种支撑方式:第一是浮筒式结构,当悬浮管道的浮力较小时,利用浮筒增加浮力;第二是是铆索式,当管道的浮力足够大时,采用铆索拉力固定管道;第三为刚性桩柱式,很像水中桥梁。

    浮重比

    一般情况下,阿基米德桥的浮力明显大于桥的自重和交通载荷,其中自重又明显大于交通载荷。由于重力太大会导致不稳定,浮力太大又对固定桥体的缆索要求很高,目前研究认为重浮比在0.7~0.8之间效果最佳。

    优势

    阿基米德桥具有现有桥梁和隧道所不具备的优势和特点。

    第一,阿基米德桥是一种环境友好的方案,对两岸地貌的影响非常小;

    第二,由于借助了自然的力量——浮力,一旦技术成熟,阿基米德桥同桥梁、隧道相比具有造价优势,因为其单位长度的造价不随跨度的增加而增加;

    第三,技术上阿基米德桥不受跨度和水深的限制,可建在长跨度、水位深、陡峭的地方。除此之外,阿基米德桥还有一定的旅游价值可供开发。

    面临问题

    阿基米德桥的设计与建造向力学工作者提出了巨大挑战。首先是流固耦合问题,水中悬浮隧道,在波流载荷、海啸、地震,以及偶发爆炸撞击载荷作用下的动力响应和安全性的评估需要复杂的流固耦合动力学计算。再者,针对锚固方式和锚固结构的安全性,需要进行流固土之间的相互作用方面的研究,锚固系统在水流作用下会发生我激振动(VIV),对于铆索在海床上的固定强度有很大影响。最使人担心的是一旦发生意外,人的逃生问题十分严重。在这些问题未解决之前,人们是不敢贸然行事的。

    从工程技术角度看,阿基米德桥的设计与建造遇到很多新问题。例如材料选择;锚固系统的结构形式;桥岸连接形式;服役条件,以及动力响应与结构安全。结构安全是最令人担心的事,它包括在地震、海啸、爆炸以及冲击载荷作用下的可靠性问题。另外,由于它在波流载荷作用下,疲劳问题和材料腐蚀失效问题更是棘手问题。总之,海洋工程中遇到的结构问题,这里都有。不过,由于它是交通设施安全问题,更为要紧。

    千岛湖实现

    实地建造

    2003年,中科院力学研究所与淳安县提出了建造阿基米德桥通往水下古城的设想,双方签订了合作意向书。从此千岛湖千年古城水下观光有了新可能。

    对于这座一般人连名字都没有听说过的桥,浙江淳安县副县长王军讳莫如深,“一切以中科院为准”。

    该项目负责人、中科院力学研究所前所长洪友士研究员通过电话告诉记者, 阿基米德桥学名为水中悬浮隧道,是一种基于阿基米德浮力定律,被固定于水面以下的封闭通道,是一种跨越水域的新交通方式,适用于跨度较大、水位较深等不适宜建桥、隧道等地点。

    “这是对当地环境改变最小的跨水交通方式。”洪友士研究员告诉记者,阿基米德桥一般由浮在水中一定深度的管状结构、锚固在水下基础的锚缆杆装置及与两岸相连的构筑物组成,和架空水面的桥梁、穿越水底地下的隧道相比,悬浮是阿基米德桥最大的特点,悬浮水中的阿基米德桥借用了大自然的力量,主体需要的主要承重力量来自水的浮力,所以对周围环境影响最小。

    按照洪友士研究员描述,阿基米德桥入口和出口均在陆地,中间管道在水中,管道中可以走路行车,“甚至还可以开高铁。”

    阿基米德桥的材料也是工程通用的钢材和钢筋混凝土,不过强度会考虑水下受力情况和防腐要求。

    对于在千岛湖采用阿基米德桥方式实现水下古城观光,洪友士研究员觉得阿基米德桥有其优势,一是环保低碳,和隧道桥梁相比对当地环境改变最小,而千岛湖环保要求很高;其二悬浮水中的阿基米德桥借用了大自然的力量,主体需要的主要承重力量来自水的浮力,省工省料,这是一种绿色的工程结构;三是适合水下观光,阿基米德桥是一个封闭的管道,可以穿行水下,游客可以通过观景窗口近距离接近水下古城,同时又不会破坏古城;四是阿基米德桥在水下20米,不会影响水上交通。

    然而阿基米德桥的建设是一个世界性的难题,至今尚无建成的阿基米德桥。

    洪友士研究员认为阿基米德桥最大难点在于其悬浮在水中,虽然可以通过锚固在水下基础的锚缆杆装置保持稳定,但其受力方式和桥梁隧道完全不一样,如何能保持在水中的稳定性技术尚不成熟。

    走出实验室

    目前中国科学院力学研究所与意大利那波里大学、米兰理工大学和阿基米德桥公司合作的“中意阿基米德桥联合实验室”进行技术攻关,实验室阶段的研究工作已经告一段落,理论研究、计算分析,数据测试已经得到一定结果,实验室制造的模拟桥的试验已经通过。2010年10月,首届国际阿基米德桥学术研讨会在千岛湖召开,中外科研人员济济一堂,对千岛湖阿基米德桥原型桥的工程设计和建设方案进行了深入讨论。

    下一步将是在实际水域千岛湖建造原型桥,这是一个“测试版“的阿基米德桥,洪友士研究员透露原型桥是一个横截面在3至5米的大圆管,通过原型桥进一步检验阿基米德桥的结构稳定性,检验实验室的成果,甚至还要进行走人走车的试验。

    但据记者了解,目前建造原型桥的经费尚未落实。

    至于何时能在千岛湖建成“世界上第一座阿基米德桥”,洪友士研究员表示目前尚无时间表。

    洪认为不同交通方式的选择和社会发展阶段有关系,阿基米德桥最大特点是环保绿色对于环境干预小,在一些环保要求高以及不适合桥梁隧道的特殊水域优势明显;洪友士研究员认为社会目前发展阶段已经为阿基米德桥出世创造了有利条件。

    至于阿基米德桥会不会很“昂贵”, 洪友士研究员认为目前技术尚不成熟,所以初始阶段造价会比较高,但一旦技术成熟推广后一定会比桥梁隧道有优势,国际桥梁专家曾经做过测试,桥梁隧道单位造价会随着长度增加而增加,而阿基米德桥单位造价和长度几乎没有关系。

    “阿基米德桥将具有广泛的科学和市场价值。”在北京中科院办公室,洪友士研究员通过电话对中新网记者说。