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阿基米德桥:人类水上交通新途径(图)

http://www.sina.com.cn 2007年11月29日 10:42  科学时报
阿基米德桥:人类水上交通新途径(图)
阿基米德桥示意图
 
阿基米德桥:人类水上交通新途径(图)
实验室中的阿基米德桥模型

  作者:陈欢欢

  阿基米德桥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。阿基米德桥横截面可以为椭圆形或圆形,长度可达几千米,宽度可达几十米,可通行汽车,也可建成多通道,同时通行汽车和火车。

  由于技术上的一些难题没有解决,并且没有相应的设计、建设标准,目前世界上还没有一座真正的阿基米德桥。而一旦建成,阿基米德桥将成为一种新的交通方案供人们选择。更为重要的是,阿基米德桥适用于跨度较大、水位较深等不适宜建桥、隧道的地点。

  今年10月22日,首座阿基米德桥样桥模型在中国驻

意大利大使馆展示。同时,由中国科学院力学研究所和意大利阿基米德桥公司合作建设的世界第一座阿基米德桥原型桥正筹划在千岛湖建设。自2001年开始合作以来,中意双方一直致力于在中国建成世界第一座阿基米德桥。

  作为项目负责人,中国科学院力学研究所研究员洪友士是如此描述阿基米德桥的研究进展的:“基本原理清楚,具体的技术方案还没有解决。”目前,中国、意大利、瑞士、挪威、日本、美国、巴西等国都在开展阿基米德桥的研究,开过多次国际会议。接受《科学时报》记者采访时,洪友士表示:“目前来看,国际范围内中意合作是走在最前面的,但如果我们不抓紧也有可能被赶上。”

  基本科学问题+实际应用背景

  阿基米德桥学名为水中悬浮隧道。不过,与隧道不同,阿基米德桥借助于浮力浮于水中;与一般的桥也不同,对于浮力大于重力的阿基米德桥,它和水底的连接方式与桥相反——用缆索(也可以用其他方式)固定于水底和两岸,以防浮出水面,桥顶距水面保持20米以上的距离以便通行大吨位船只。因此,阿基米德桥的基础设计方案与桥梁、隧道有根本区别。

  重浮比是阿基米德桥的一个重要参数。据洪友士介绍,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。

  “这个数字也有待进一步验证,现在力学所也在探索最佳重浮比的范围。”洪友士说:“我们有个基金重点项目在研究这些基础科学问题——水中悬浮隧道关键力学问题研究,其中包括长跨度结构在波流作用下的动态响应和在高平均载荷基础上叠加有周期载荷的结构和材料的完整性问题两个方面。缆索要承受浮力、交通载荷、波流的影响,及涡激振动产生的周期性载荷,这种情况下其结构的耐久性如何?寿命有多久?此外,缆索在湖水、海水中的寿命往往比在空气中短很多。因此,阿基米德桥问题的研究既有基本科学问题,也需同实际背景相联系,显然能够对这类科学问题提供可借鉴的结果。”

  尚没有建立标准、规范

  洪友士表示,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。

  既然具有这样的优点,那么阿基米德桥的推广情况又如何呢?

  据介绍,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我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。洪友士介绍,国际上现在有若干个国家在作尝试,做过类似设计和方案论证,但都没有被认同和采纳。

  “由于阿基米德桥是目前世界上还没有的一种交通方案,尚没有相应的建设标准和规范。因此,在实际建设过程中,各方面标准的审核都有一系列很难完成的程序,很难获得批准立项。”洪友士表示,现在连建设阿基米德桥是应该参照桥梁还是隧道的技术指标都无法确定。“因此,我们建造原型桥的意义非同一般,它不仅可以证明这种技术方案能够实现,它的技术参数还将为今后相应指标和规范的建立提供基本依据。”洪友士说。

  用样桥证明实现的可能性

  中科院力学所对阿基米德桥的介入最早来自中国科学院院长路甬祥。洪友士说:“路院长一次偶然的机会认识了意大利阿基米德桥公司的总裁埃里奥·马塔切纳,得到这个信息之后就把有关材料批到力学所,希望我们能关注。力学所从那时开始介入,做了一些前期调研、查资料的工作。后来,路院长多次就阿基米德桥问题提出意见,有些建议非常具体,如选址地点、增加观察功能、考虑融入中意双方文化特点等。”

  2003年,力学所开始和浙江省淳安县合作,多次到千岛湖进行选点和考察。“之所以选在千岛湖有几个原因。”洪友士说:“第一,水深,有足够的深度建桥;第二,水清,能见度7~9米,今后作为旅游设施有优势;第三,是旅游热点,每年有200万的游客。”

  2004年11月,中科院力学所提出建立一座基于实验室工作、技术方案设计的阿基米德原型桥,其设计考虑、参数设定以真桥为标准。“因为谁也没见过真正的阿基米德桥,因此样桥的作用就在于向公众展示阿基米德桥作为一种新技术、新交通方案的可行性,同时在实际尺寸的样桥中进一步对技术指标进行考核、试验和检验。”洪友士说。

  2004年12月,中科院力学所和意大利阿基米德桥公司签署了中意阿基米德桥联合实验室的合作协议。在建桥的问题上,意方开始主张一步到位、实际建桥,但现在也接受了原型桥这个关键步骤的观念。目前,通过中意双方合作,阿基米德桥原型桥的结构设计已经取得阶段结果,正进入工程设计和施工前期准备阶段。

  据介绍,考察组从2005年年初开始进行原型桥选点的工作,陆续做了各方面实地考察、测绘、勘探等工作,考察了相应的设计和环境参数,如水位变化、水波、水流、周边环境、湖底地质、

地震、偶发载荷以及水温、气温等情况,并调研了1996年~2005年10年间的水位记载和公元前1800年至今近4000年的地震数据。

  在此基础之上,2006年5月,样桥建设地点最终选定,并被命名为阿基米德湾,该地地形、地貌适合阿基米德桥原型桥布局,并且交通便利。

  记者了解到,该原型桥设计长度100~120米、外径4.4米、内径约3.5米、平面宽度约2.5米、低水位时距水面2米,通道内可供行人和一辆汽车通行。桥体为铝合金、混凝土、不锈钢的夹层结构,并有观察窗口。“一旦技术成熟,实际使用的阿基米德桥尺寸可以足够大,满足汽车、火车等多通道路面宽度要求。”

  技术成熟之后,阿基米德桥的工业应用前景将会如何?

  “在这个问题上,我们在不断地同意大利人进行探讨。”洪友士说:“任何一项新技术的应用都有过程。跨越水域、海峡、湖泊,现在已经有成熟方案,如水面上的桥梁、水下的隧道等。在这种情况下,阿基米德桥这种新方案并不具有替代性,需求的迫切性不是很明显。现在有些既不适宜建桥也不适合修隧道的地方完全依靠船运也能解决问题,比如西西里岛和意大利本岛之间的最小跨度有3000米,现在就是靠渡船运输。但是,这种新的技术方案一旦实现,则可以在人类考虑水域交通时多一种选择,使人们的活动方式和空间上升到一个新的高度。”

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