解析旧金山跨海湾大桥的科学原理

在新湾区大桥开通之前，工人们正在进行最后的检修。

劳动节这一天，历经13年，耗资64.2亿美元的连接旧金山和奥克兰的跨海湾大桥开通。这座跨度为2047英尺的大桥是世界上最长的自锚式悬索桥，它不但要承担旧金山湾地区巨大的交通压力，还要承受这里多发的地震。

在传统的悬索桥上，比如旧金山的象征金门大桥，工程师会利用几英寸粗的钢缆，将几千吨中的钢筋混凝土大桥悬吊在水面上，而那些巨大的钢缆则锚定在岸边。但是新的湾区大桥分为东西两段，其东段附近没有大块的岩石，无法用于固定。所以这座大桥要靠它自己来锚定35200吨钢板。

美国加州交通部的首席桥梁工程师Brian Maroney说：“好草岛上没有地方可以用来锚定这座大桥，我们不得不采用特殊的设计。”

大桥用了一根直径为2.6英尺的主钢索来拉住车道，并用一座525英尺高的塔来支撑它。这根钢索重1060万磅，由137根钢丝束构成，每把钢丝束里有127根5.4毫米粗的钢丝。这根钢索就像是巨大的橡皮筋，将整个结构拽在一起。塔靠近桥的最西段，将桥身的大部分重量都托举起来，支撑了桥身90%的重量。从这根主钢索向外，有200跟悬吊绳索，拉住28块构成桥身的钢板。

工程师在构成桥身的钢板上铸造了一些“盒子”，用来和钢索连接。这些“盒子”上有一些孔洞。钢索经过这些孔洞扩散成一束束的钢丝，以便更容易抓住钢板。钢索从大桥东端开始向上，经过高塔，到达西端，再沿着原路返回东端。

铸造这些“盒子”需要非常精确。Maroney说，“对于每一根钢丝来说，都只有一个位置是正确的，只有一个方向是可以接受的，偏差一点也不行。我们必须给这些钢丝标上不同的颜色，以便保证它们被牵引到正确的角度。这就像外科手术一些精细。”施工人员甚至使用比这些钢丝还软的软金属工具，以免损坏钢丝。

为了让大桥更加抗震，工程师给高塔设置了四个钢脚，靠近东端的两只脚穿透了300多英尺厚的泥沼，牢牢地扎在岩床上。高塔的四只脚被剪力连杆梁连接在一起。刮风的时候，剪力连杆梁会变硬，以保持大桥的稳固。地震的时候，剪力连杆梁会吸收地壳的运动。如果地震达到一定的级别，剪力连杆梁就会断裂，以避免损坏桥梁的其他部分。

“这些连接杆会使能量分散，减少地震的力量，从而给大桥提供更多的保护，”参与大桥设计建造的T.Y.Lin国际公司的首席设计工程师Marwan Nader说，“在伸缩缝处，箱型梁与两个铰链式管道梁连接在一起。铰链式管道梁使大桥的不同结构部位可以相对滑动。”

这个新的系统还能抑制地震中的不同频率。在东段，大桥修建在土地上，那里地震波的频率比西段岩石区的地震波频率低。“大桥的两个部分可能会遭遇同一次地震，但是地震波会以不同的频率在不同的时间里传播到大桥的两部分。”Maroney说。