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懸索橋的跨越能力為何如此之強

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  懸索橋的上部主體結構主要承受拉力,這幾乎是效率最高的結構體系。

  簡單說,拿筷子做類比。隨便一用力就可以把筷子掰斷,這就是筷子在受彎;但幾乎很少有人能夠把筷子拉斷,這就是筷子在受拉。幾乎所有的材料,受拉的效能都要遠遠高于受彎的效能。

  想一下晾衣服。受彎的例子就是晾衣桿(木頭、竹子、金屬),這些桿子都要有足夠的直徑,否則很容易就被衣服壓斷了。受拉的例子則是晾衣繩,很細的一根繩子,所用的材料比木桿子少得多,晾上衣服之后下垂的弧度很大,但一般情況下很難被拉斷。

  與受拉相比,受彎是一個效率極低的承載方式。一定程度上,提高結構效能就是盡量的把受彎轉化為受拉或者受壓。如果同時能夠做到盡量減輕結構自重,那就更完美了。拱結構就是轉化為受壓的例子,而懸索橋則是轉化為受拉的例子。

  普通的梁式橋,完全依靠受彎承載。這種形式非常常見,地鐵、高架、小型公路橋梁,幾乎全部是這樣的。右邊是它的截面的應力分布,上下邊緣受力大,中間位置幾乎為零。也就是說,整個截面的應力并不是平均分配的,盡管中間位置幾乎沒有應力,但是,只要上下邊緣達到了極限,整個截面同樣可以被破壞。

  既然中間截面幾乎為零,那么為什么不把它們省略呢?于是,就有了這種開孔梁。截面中間部位應力很小的那些地方被省去,減輕了自重。拉壓應力集中在上下邊緣處。

  把這個趨勢進一步擴大,也就是把原來的梁式結構進一步格構化,去掉應力小的部位,保留最基本的部位,我們就得到了 這種桁架結構。

懸索橋

  它的大致內力分布,紅色受拉,藍色受壓。它的截面分布更加合理,上弦桿件受壓,下弦桿件受拉,中間沒用的部位全是空的。著名的就是這樣的結構型式。

  如果把這個最優化的趨勢做到極致,那就達到了這種的懸索結構。整個懸索承受同樣大小的拉力,整個懸索的拉力由支座處的錨固平衡。其實這種結構非常好理解,想象成一根晾衣繩,上面晾了11件衣服,而晾衣繩的兩端,需要牢固的栓在墻上或者柱子上。很容易理解吧?比較難理解的是如何解決錨固處巨大的力?

  拱橋就是另一個方向的極致,與 e 圖上下對稱,拱結構只承受壓力,也不承受彎矩。但與純受拉的懸索結構相比,受壓的拱結構還牽扯到穩定問題。舉個例子,你用腳踩放在地上的空易拉罐,很難把它踩碎,但是很容易就把它踩變形、踩扁了。因此,拱結構的效率還是比不上懸索結構。


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