工程师设想用纤维增强复合材料，对金门大桥早期设计进行改良

自从金门大桥于1937年5月27日通车以来，它一直是美国风景中的一个标志性符号。

到1870年，人们已经意识到建造一座横跨金门海峡的大桥以连接旧金山市和马林县的必要性。然而，又过了半个世纪，结构工程师约瑟夫·施特劳斯才提交了他的建桥方案。计划不断演变，最终的项目被批准为一座悬索桥，最终花了四年多时间才建成。

当金门大桥建成时，它有世界上最长的悬索桥跨度--钢索在两座塔之间支撑起路面，没有中间支撑。而这一设置也有一些固有的挑战。它在当时花费了大约一百万美元；今天建造同样的结构将花费大约十亿美元。那么，在过去的80年里，这个设计是如何坚持下来的--如果我们今天从头开始，我们会采取不同的做法吗？

金门大桥是一座悬索桥，这意味着它是依靠张力下的缆绳和吊索以及压力下的塔架来跨越长距离，没有任何中间支撑。路面悬挂在垂直的吊索上，吊索连接着两根主缆，这两根主缆在塔楼和端部的锚之间运行。吊索将车辆的力量和自重转移到锚定在塔架和坚实地面上的支撑缆绳上。

这种类型的第一座桥可能是用柔性绳索连接两个悬崖，以跨越山谷或河流。几百年前，这些绳索是由植物纤维制成的；铁链子是后来才出现的。纽约市的布鲁克林大桥于1883年开放，是第一个使用钢缆的大桥，后来成为标准。

桥塔开始时可能是在山谷两边的简单岩石；最终工程师们使用了巨大的石头或钢制桥墩。例如，金门大桥是由两端的一个桥墩和两个塔楼支撑的，这两个塔楼被放置在嵌入海底的地基上。

金门大桥的两根支撑缆绳是自1937年大桥通车以来唯一没有改变的东西。每条主缆由27,572根钢丝组成，厚度约为一支铅笔。施工人员将近80,000英里的钢丝绳从桥的一边挂到另一边。

为了完成这项工作，几乎不可能一气呵成地制造一条没有瑕疵的长而粗的缆绳。而且最关键的是，如果一根大缆绳支撑着大桥，而它发生了什么问题，就会出现灾难性的故障。依靠较小的缆绳意味着任何故障都会较慢，留下时间来转移灾难。

自从人们第一次开始考虑在旧金山海湾建桥，人们就对该结构能否承受该地的强风、湍流和可能的地震力表示了极大的关注。旧金山位于两个活跃的构造板块的交汇处--显然没有人希望看到地震使这座目前每天运送约112,000辆汽车的大桥倒塌。

为了避免这个问题，建设者还在桥的两端设置了减震器，以吸收来自风力或地震力的能量。这些特别设计的减震器是由橡胶覆盖的铅芯制成的一米直径的圆柱体。放置在战略位置，它们吸收能量，否则可能导致桥梁倒塌。

传统智慧认为，一个基础设施项目在其落成后不久就会结束。但保持金门大桥的最佳状态需要持续的严格维护。80年来，专门的维修人员对大桥进行了维修，重新粉刷，并在必要时替换被腐蚀或损坏的部件。

这项工作必须按照严格的标准进行。例如，当连接大桥各部分的数千个螺栓中的任何一个需要更换时，同时取出的螺栓不能超过两个，以保证大桥在强风或地震力下的安全。

也有结构性维护问题。由于时间的流逝和持续的温度变化，缆绳和吊索会拉长或收缩，需要定期检查和重新拉紧。这种类型的调整被称为 "调音"，类似于音乐家如何保持弦乐器的最佳音质。

由于巨大的维护成本，一些人建议重建金门大桥，以限制持续的维护和运营费用。抛开政治上的可行性不谈，如果工程师们今天要从头开始建造这座桥，他们会如何设计？

随着时间的推移，研究人员已经开发出更轻的材料。使用纤维增强复合材料（FRP）而不是钢或混凝土是减少这种规模结构重量的一种方法。这种自重通常负责使用其70%至80%的阻力--这是它在失效前所能承受的最大载荷。通过减重，桥梁的结构将需要更少的强度，允许更便宜和更容易的选择。

例如，设计师已经开始在桥梁中使用纤维增强复合材料（FRP），如西弗吉尼亚州的市场街大桥。FRP使用塑料树脂将玻璃或碳纤维结合在一起，使材料具有强度。由于比混凝土轻四倍，FRP的强度是五到六倍。

在替代金门大桥中，设计者的第一个目标可能是改变缆绳的成分。目前使用的钢材具有腐蚀性，比新材料重四倍，在恶劣的湿度和温度环境中可能会失效--就像它在这个地方遇到的那些环境。碳缆的耐腐蚀性更强，已经在世界各地使用。

这些比钢更轻的材料也可用于桥梁的其他部分，如交通道路。使用塑料复合地板可以使金门大桥的桥面自重减少五倍。这将使工程师能够设计和建造一座斜拉索桥，而不是一座悬索桥。这样做的好处是可以取消吊索；在斜拉索桥上，力通过缆绳直接从桥面传到桥塔上。第一座使用CFRP缆绳的公路斜拉索桥是瑞士的Stork桥，于1996年开通。

斜拉索桥可以比悬索桥有更长的跨度，所以其支架和岸边之间的结构可以更简单。另外，将塔架建在离岸边较近的地方，那里的水床比较浅，这将有助于缓解金门大桥第一次建造时的一个主要问题。在水流湍急的深水中进行塔基施工是非常困难和昂贵的。

阻尼系统也可以通过新的设计来解决。建造金门大桥时使用的基于铅芯的阻尼器可以被更新的技术所取代，这些技术能够更好地抵抗风、交通和地震力。这种改进将确保防止像塔科马狭长桥那样的故障——当风把桥吹向一边时，产生扭曲并倒塌。

说了这么多，金门大桥仍然做得很好。即使有其他可行的和更便宜的选择，也没有人现实地致力于取代这个装饰艺术的标志和其世界著名的 "国际橙色 "油漆。金门大桥受到密切监测，以确保它不会因交通、风力和地震载荷而超过其压力极限。工程师预期这个工程杰作至少还能坚持80年屹立不倒。

此文由中国复合材料工业协会编译，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。