從錢塘江大橋不塌說開去

從錢塘江大橋75年不塌說開去2012—10—2714一、錢塘江大橋設(shè)計(jì)的基本資料與力學(xué)假定錢塘江大橋進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)計(jì)算的時候，是單跨簡支梁模型，跨度約65.8米，跨高約10米，跨高比6.5左右。不同意“簡支梁”的同學(xué)莫急，請看節(jié)點(diǎn)的放大圖：

看看節(jié)點(diǎn)上方的上弦桿構(gòu)造，這不是一個連續(xù)節(jié)點(diǎn)哦。So,簡支梁。鐵路部分的設(shè)計(jì)荷載是軸重50噸，這是什么概念呢。那個年代的火車動力來自蒸汽機(jī)車，重量巨大，一般是20軸，按這么算機(jī)車有1000噸；后面掛的火車車皮，一般是每節(jié)車皮4軸，如果按照10節(jié)車廂計(jì)算，就是2000噸；整車重量共計(jì)3000噸。當(dāng)然，實(shí)際上沒有這么重的機(jī)車，世界最大的機(jī)車整備質(zhì)量244噸，加上煤水車披掛上陣也就三四百噸。因此可以看到，所謂設(shè)計(jì)荷載50噸軸重，是用于橋梁計(jì)算的荷載，并非真實(shí)的荷載。你要每一跨的具體荷載多大，我告訴你我不知道。這個數(shù)字也沒有意義，荷載要講究作用的位置。比如機(jī)車和后面的貨車，單位長度的重量差別很大，我舉的不恰當(dāng)?shù)膿Q算重量的例子中，一臺機(jī)車的重量都抵上5個滿載的車皮了。要說讓單跨上的總重量最大，當(dāng)然車剛好走完這一跨的時候，車頭在一端，車皮沿著該跨排滿。但，這是最不利的情況嗎？要知道大荷載越靠近跨中就越不利。最重的車頭部分放在一端，肯定不是最不利的情況。如果火車剛好開過一半的跨度，沉重的車頭壓在跨中間，這種情況也相當(dāng)不利，甚至比上—種還要不利。具體的最不利荷載一般是當(dāng)車開過大半個橋跨的時候，具體在哪個點(diǎn)上還不好說。公路嘛，情況不太一樣，按照15噸設(shè)計(jì)，是一個很低的標(biāo)準(zhǔn)，比起今天的城-B級車輛的30噸只有一半。參照30噸的原則，15噸在設(shè)計(jì)時可以簡化為每車道每米5.5kN+每隔18米附加集中力80kNo這個下文會有闡述。二、錢江大橋“浪費(fèi)”材料嗎你看我說了半天還是沒說“總設(shè)計(jì)荷載”是多少吧，算了，再彎腰撿個節(jié)操吧……橋跨的設(shè)計(jì)上不應(yīng)該用“總設(shè)計(jì)荷載”這么一個概念哦。除了車輛的豎向荷載，剎車力和風(fēng)力也是很主要的兩種荷載。這兩種荷載，其較精確估算模型是近幾十年才有的；特別是風(fēng)荷載，其實(shí)到現(xiàn)在還不能算的很精確。原帖回復(fù)中有位同學(xué)(我懶，不去翻是誰了，拿我怎么樣吧)提到了一點(diǎn)：當(dāng)時的計(jì)算不如今天精確，工程中遇到無法算精確的情況總是保守地取大值。所謂取大值，就是讓超越概率足夠小。當(dāng)然，連算都算不清楚，就更無所謂概率了，具體怎么取值，全看老茅怎么想。這個值說是根據(jù)“豐富的經(jīng)驗(yàn)”，其實(shí)嚴(yán)格地說還是拍腦袋，沒有HardEvidence做支撐，這我可以負(fù)責(zé)任地告訴你。為啥？因?yàn)楫?dāng)時沒有近似概率設(shè)計(jì)方法，老茅只能依靠經(jīng)驗(yàn)。原帖中還有一位同學(xué)(nevermind)指出，老茅的設(shè)計(jì)是很浪費(fèi)材料的，于是他被樓下好多同學(xué)推到了，還推的很基情。我這里還是冒著被推倒的風(fēng)險(xiǎn)出來說一句：確實(shí)很浪費(fèi)材料。不過這不是說老茅沒水平，也絕不是說我很有水平，這是時代的限制。老茅的設(shè)計(jì)比外國公司給出的方案更加節(jié)約，可見在當(dāng)時的條件下，老茅不但沒浪費(fèi)，省材料的功夫還是一流的。能做到這點(diǎn)，說明老茅對荷載有比較獨(dú)到的見解和系統(tǒng)的認(rèn)識，而且是領(lǐng)先時代的，但是領(lǐng)先的不多。因?yàn)楣こ虒W(xué)這東西不是神學(xué)，更不是獨(dú)孤九劍，不是一個大神級人物就可以領(lǐng)先時代幾十年的，而是要依靠整個行業(yè)不斷的積累和進(jìn)步，正如節(jié)操是要一片一片撿起來。因此，老茅當(dāng)時相對的“省”，在今天看來依然是浪費(fèi)，還浪費(fèi)的不少?？吹胶芏嗤瑢W(xué)說，百年大計(jì)，多用一點(diǎn)材料是應(yīng)該的。沒錯，是應(yīng)該的，土木工程的一個理念就是多用一點(diǎn)材料。做過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的人都知道，今天其實(shí)多也用了很多，一般混凝土結(jié)構(gòu)短期超載一兩倍沒什么問題。但即使以這個為標(biāo)準(zhǔn),錢江大橋依然比今天的結(jié)構(gòu)更“浪費(fèi)”。那啥百年大計(jì)呢，怎么考慮呢。工程師考慮這個問題有兩個落腳點(diǎn)，—個是經(jīng)濟(jì)效益，一個是破壞的后果。在我國的標(biāo)準(zhǔn)體系中，建設(shè)時不考慮經(jīng)濟(jì)效益導(dǎo)向的，破壞后會造成嚴(yán)重社會和政治影響的，設(shè)計(jì)裕量就會取的很高，比如神舟飛船的船箭總吊裝車間，比如用于戰(zhàn)爭狀況的三軍總指揮部，比如國家主干級的衛(wèi)星地面站……舉這些例子是為了告訴大家，按今天的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)看待錢江大橋，其實(shí)接近這個安全等級。在近似概率設(shè)計(jì)方法推廣之前，工程設(shè)計(jì)普遍是用經(jīng)驗(yàn)法，如蘇聯(lián)的做法就被稱為“大老K”法，給定一個荷載，全靠一個安全系數(shù)K來確定最終的抗力，可能是1?5，可能是2,非常粗糙，拍腦袋的成分很多。在那個年代，K值很能體現(xiàn)一個工程師的水平，茅以升絕對是個高手。有一個說法是老茅的方案比外國公司的方案節(jié)省了200萬銀兀，最后總造價是540萬銀兀。民國政府最后米納老茅的方案，不是因?yàn)楫?dāng)時就知道他厲害，便宜還是主要因素，畢竟工程界缺錢是常態(tài)（即使是4萬億下的中國）。所以，說百年大計(jì)一定比實(shí)際需求多用

很多材料上去的那些同學(xué)，連茅以升和民國政府都不會同意你們的觀

點(diǎn)，他們自己就是省錢省材料的高手啊。再多說一句，如果錢不夠，

“大計(jì)”連影兒都沒有，還談何“百年”呢。三、今天的結(jié)構(gòu)是怎樣“浪費(fèi)”材料的近幾十年來土木工程領(lǐng)域基礎(chǔ)理論的最大進(jìn)步之一，是近似概率設(shè)計(jì)方法。工程師面臨的問題是怎么樣的？一個簡單的例子：兩根柱子+—根大梁，做成一座簡易的橋，上面用于行走。這個問題看似簡單，其實(shí)任何對象都是不確定的。首先是材料，比如我買來一批鋼材，標(biāo)注的屈服強(qiáng)度是360MPa，但事實(shí)上每一根鋼材都會有自己的屈服強(qiáng)度，可能是320,可能是410,基本上是正態(tài)分布，工程上的標(biāo)稱數(shù)值一般是取95%保證率。也就是說，一批標(biāo)注了360的鋼材，只有5%的鋼材達(dá)不到360的要求。當(dāng)然，熟悉正態(tài)分布的同學(xué)估計(jì)也能想到，除了這個控制條件，還有一個標(biāo)準(zhǔn)差控制條件。比如360的鋼材，平均強(qiáng)度400的那一批，要好過平均強(qiáng)度500的那一批。這里腦筋要轉(zhuǎn)個彎才能理解：400的那批，測試結(jié)果更加集中，360—440的范圍里聚集了90%的樣本,可以預(yù)測，最差的5%里面，絕大多數(shù)都是335以上。而500的那批，樣本就很發(fā)散了，最后的5%也許會出現(xiàn)很多300,280的。其次是人，多少人，多重，多塊，步伐整齊程度等都會影響到橋的受力。不能簡單的說我們按照站滿人來計(jì)算，如果這些是重裝大兵呢，如果是一隊(duì)推著滿載的獨(dú)輪車的勞工呢，如果是一隊(duì)騎兵呢……因此這個問題應(yīng)該用概率和統(tǒng)計(jì)的方法來描述，比如10人是最常見的，負(fù)重的隊(duì)列是偶爾有，騎兵很罕見等等。但這需要長年累月的數(shù)據(jù)積累，取值很不容易。其實(shí)幾十年來中國的荷載標(biāo)準(zhǔn)編制水平一直是比較高的，確實(shí)值得驕傲。這不是風(fēng)光無限的航天工程和兩彈一星，這是后臺默默無聞的行業(yè)基石，和許多其他領(lǐng)域的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累一樣，是整個工業(yè)社會得以運(yùn)行的保證。還有一些相對復(fù)雜的作用，如地震、強(qiáng)風(fēng)、偶然撞擊、地基沖蝕、極端情況等。很多領(lǐng)域中海無法完全開展概率設(shè)計(jì)，因此今天的設(shè)計(jì)只是近似的概率設(shè)計(jì)，盡管是近似，已經(jīng)比五六十年前的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)要可靠的多了。整個設(shè)計(jì)過程中，到處遵循著95%(depends…有98%)的保證率的思路來確定調(diào)整系數(shù)；遇到算不準(zhǔn)的問題，如應(yīng)力復(fù)雜區(qū)、剪應(yīng)力問題、三軸不利應(yīng)力、疲勞狀態(tài)、沖擊荷載、抖振和馳振等問題，系數(shù)就偏向于取大，比如1?2,1.45什么的(這倆栗子是瞎舉，調(diào)整系數(shù)巨多啊……)，最終換算荷載與抗力，還要有各自的分項(xiàng)系數(shù)最終還有個重要度系數(shù)，細(xì)細(xì)算來，承載能力多算了1倍的并不罕見，甚至是量大面廣的情況。對比當(dāng)年的“大老K”，今天整個計(jì)算過程中擁有多如牛毛的調(diào)整系數(shù)，大多數(shù)是通過概率方法得到的，當(dāng)然少部分還是有拍腦袋。見一斑而窺全豹，可以看出，今天設(shè)計(jì)的精細(xì)程度是過去不能比擬的。這樣子還“浪費(fèi)”到一倍左右，過去的結(jié)構(gòu)呢。寫完這一段估計(jì)不少基友想把我推倒了，你們排個隊(duì)，讓姑娘們先來

好么二四、超載，到底能超多少錢江大橋到底是否長期超負(fù)荷運(yùn)作？答案是沒有。鐵路設(shè)計(jì)軸重50噸這個標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不適用于今天了，而今天的情況也許很多人想不到，設(shè)計(jì)軸重沒有這么大，特級鐵路荷載都只有25噸軸重間隔1.6米布置而已。為什么呢，因?yàn)槲辶昵暗幕疖囓囶^是燒煤的，是重型的蒸汽機(jī)車。想想，帶蒸汽鍋爐的機(jī)車+煤水車至少三四百噸。這個值在今天看來是不可思議的，容許軸重是鐵路網(wǎng)的一個重要指標(biāo)，今天已經(jīng)不需要這么大的軸重了，讓整個鐵路網(wǎng)滿足50噸的需求，成本會是天文數(shù)字。至于“動車在橋上可以開到120碼”，這聽起來似乎很是那么回事兒，其實(shí)中國的動車最大軸重是17噸，對，你可以揉揉眼睛再看，17噸。動車對軌道要求高，主要是質(zhì)量高，要無縫鐵軌，要軌面有很高的平整度，而承載力反而不用很高。錢江大橋的軌道是經(jīng)過無縫化改造,軌枕系統(tǒng)全都是現(xiàn)代化的,橋上的軌面平整度本來就無需擔(dān)心。對動車熟悉的同學(xué)會知道，動車的需求關(guān)鍵其實(shí)還不在鐵軌，而是電氣化和信號系統(tǒng)等這些，這不是我的專業(yè)，我就不說開去了。此處感謝@學(xué)術(shù)失敗 同學(xué)的貢獻(xiàn)，原文曾提到機(jī)車20軸計(jì)1000噸，該說法不嚴(yán)謹(jǐn)，可參看9樓、12樓、15樓。不存在這么重的車頭，1000噸只是為了形象的表達(dá)“設(shè)計(jì)荷載”的概念。原文提到機(jī)車可重達(dá)五六百噸，數(shù)字有誤。蒸汽機(jī)車時代最大的車頭整備重量244噸（指空車出廠交付時），加上煤水車、水和燃料等，應(yīng)是三四百噸。再說軸重，今天有專門從事鐵路特大、特重運(yùn)輸方案研究的機(jī)構(gòu)，比如神華下屬的一個子公司這幾年對30噸軸重的運(yùn)輸方案搞得比較熟，還有學(xué)位論文專門研究貨車普及30噸軸重的可行性。這聽起來似乎有些“開時代的倒車”的意思，其實(shí)問題沒這么簡單。在蒸汽機(jī)車退役前，由于機(jī)車軸重大，鐵路是相當(dāng)重型化的，你看錢塘江大橋，跨度只有區(qū)區(qū)65.8米，而且離水面很近（沒記錯是7.2米，錢塘江水位的確定方法不詳），整體很“粗獷”。蒸汽機(jī)車大規(guī)模退役的年代，也正好趕上我國鐵路大規(guī)模建設(shè)的時代，那時候起新建的鐵路都是25噸軸重為標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)樨涇嚨妮S重很好控制，只要機(jī)車的需求下降了，整個鐵路系統(tǒng)就不再有50噸的需求了。以至于今天30噸軸重的列車要通過鐵路網(wǎng)，需要專門的研究。因此錢江大橋跑今天的火車，綽綽有余。再來說說汽車，那個年代的汽車15噸確實(shí)聽起來寒磣，今天的重型卡車動不動就60噸100噸。但是，要知道這是鐵路橋。我們以量大面廣的55噸大型土方車為例，一般認(rèn)為車間距18米（指兩個車頭的間距，非頭尾），折算約3噸/米。15噸的年代的車普遍小，按12米計(jì)算是1.25噸/米，得到了“超載1.75噸/米”。而底下的火車設(shè)計(jì)荷載，單說貨車部分，設(shè)計(jì)4軸共200噸，長度11.5米，折算17.4噸/米。汽車超載兩只有火車設(shè)計(jì)荷載的10%,工程結(jié)構(gòu)中認(rèn)為10%是很常見的出超。何況，在鐵路進(jìn)入25噸軸重時代之后，鐵路負(fù)荷大大減輕了，汽車那點(diǎn)重量還需要考慮嗎。汽車載重需求的猛增，并沒有給主體結(jié)構(gòu)帶來什么壓力，但是橋面板確實(shí)不堪重負(fù)了，因?yàn)闃蛎姘迨抢侠蠈?shí)實(shí)按照15噸的需求來設(shè)計(jì)的。當(dāng)年設(shè)計(jì)比較費(fèi)料，耐超載,但是今天的汽車已經(jīng)達(dá)到虐待的級別了。錢江大橋的橋面板是更換過的，那是建國以來最大的一次技術(shù)升級。五、炸橋那點(diǎn)事兒關(guān)于錢塘江大橋，“炸藥放不對地方都炸不它”這句話流傳甚廣，主

要原因還是它很符合傳播的要求，期待傳播學(xué)領(lǐng)域的大神來分析分

析。從技術(shù)的角度我要說：隨便一個結(jié)構(gòu)，炸藥沒放對地方，你都是

炸不掉它一一這話的傳播效果估計(jì)很糟糕。傳播學(xué)的很多原理似乎決

定了理科男追妹紙的成功率，求大神指導(dǎo)。結(jié)構(gòu)爆破那真是一門尖端技術(shù)，我們院有個做爆破拆除的老師，收費(fèi)

是成本的20倍，理由是：如果一次失敗了，合同里約定的賠償可以

把前十幾次的利潤都填進(jìn)去。沒錯，如果炸了一次沒全炸掉，剩下的

“巍”然屹立的結(jié)構(gòu)基本上是沒人敢靠近的，人家要采取非常措施

了，雇敢死隊(duì)都不一定，疏散范圍也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第一次爆破，要你

10倍的賠償不算過分吧。爆破有個原則，炸藥能少用就少用，因?yàn)樘ｋU(xiǎn)，這種情況下放對地方就是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。當(dāng)然咯，如果你以炸毀錢江大橋?yàn)槲ㄒ荒繕?biāo)，其他因素一概不考慮的話，隨便找個地方只要放夠了炸藥，還是能夠成功的比如核彈；但也別放太遠(yuǎn)，比如東京。結(jié)構(gòu)爆破不是我的專業(yè)方向，學(xué)藝不精，不好瞎說，但若要我悄悄的告訴你放在哪里保證炸毀錢江大橋，你就悄悄看一看下面的圖吧：

有的同學(xué)會以為跨中的底部是合適位置，其實(shí)不行,跨高比6.5的橋,

那里炸掉后很可能形成三鉸拱,只要兩端抗推力足夠，橋還是不會塌。

當(dāng)然，你要說至少火車不能開了啊……那倒也對……那你一顆手雷炸

壞鐵軌不就好了嘛。大型結(jié)構(gòu)的爆破要求百分百的把握，連90%的把

握都不被認(rèn)可，萬一某個部分顫巍巍地還立在那里，人又不敢上去處

理了，還真是麻煩。六、一點(diǎn)文藝腔的后話今天合格的橋梁工程博士，從專業(yè)知識上秒老茅一條街是沒有難度

的。在中國的工程界，如今的技術(shù)是老茅的年代無法比擬的，自主設(shè)

計(jì)的橋梁最大跨度已經(jīng)達(dá)到了1650米（西堠門大橋），雖然不是世

界第一。但是今天的工程界儼然一副問題百出的樣子，工程事故頻頻

出現(xiàn)，橋脆脆、橋垮垮到處都是，這很讓工程技術(shù)人員汗顏。從最上游的結(jié)構(gòu)理論來說，近似概率設(shè)計(jì)在事實(shí)上讓節(jié)省材料走上了—條不歸路，特別是在“多快好省建設(shè)社