發展史
阿基米德橋的概念最早是在20世紀初提出的。20世紀60年代,英國人曾就義大利墨西拿海峽的阿基米德橋提出了概念設計。義大利阿基米德橋公司成立於1984年,其重要業務之一就是推動阿基米德橋的設計和實現。上世紀90年代後期,阿基米德橋公司曾和中國浙江省有關部門合作,致力於在舟山群島建設金塘海峽阿基米德橋,後因種種原因設計方案未被採納。
由想像到現在也已有上百年的歷史。經過長時期的醞釀,特別是很多離岸海洋工程的建造技術的發展,SFT的設計思想才日臻成熟起來。義大利學者FaggianoandMazzolani,2001對此進行了大量可行性研究,旨在使SFT概念及其基本設計理念更為實用化。具有里程碑意義的是1969年AlanGrant對跨麥森納海灣(MessinaStrait)提出的阿基米德橋的結構設計。它由三個增強混凝土圓管構成,外邊用鋼管保護。錨固系統是斜拉鋼索。
支撐方式
阿基米德橋有三種支撐方式:
第一是浮筒式結構,當懸浮管道的浮力較小時,利用浮筒增加浮力;
第二是是鉚索式,當管道的浮力足夠大時,採用鉚索拉力固定管道;
第三為剛性樁柱式,很像水中橋梁。
浮重比
一般情況下,阿基米德橋的浮力明顯大於橋的自重和交通載荷,其中自重又明顯大於交通載荷。由於重力太大會導致不穩定,浮力太大又對固定橋體的纜索要求很高,目前研究認為重浮比在0.7~0.8之間效果最佳。
優勢
阿基米德橋具有現有橋樑和隧道所不具備的優勢和特點。
第一,阿基米德橋是一種環境友好的方案,對兩岸地貌的影響非常小;
第二,由於藉助了自然的力量——浮力,一旦技術成熟,阿基米德橋同橋樑、隧道相比具有造價優勢,因為其單位長度的造價不隨跨度的增加而增加;
第三,技術上阿基米德橋不受跨度和水深的限制,可建在長跨度、水位深、陡峭的地方。除此之外,阿基米德橋還有一定的旅遊價值可供開發。
面臨問題
阿基米德橋的設計與建造向力學工作者提出了巨大挑戰。首先是流固耦合問題,水中懸浮隧道,在波流載荷、海嘯、地震,以及偶發爆炸撞擊載荷作用下的動力回響和安全性的評估需要複雜的流固耦合動力學計算。再者,針對錨固方式和錨固結構的安全性,需要進行流固土之間的相互作用方面的研究,錨固系統在水流作用下會發生我激振動(VIV),對於鉚索在海床上的固定強度有很大影響。最使人擔心的是一旦發生意外,人的逃生問題十分嚴重。在這些問題未解決之前,人們是不敢貿然行事的。
從工程技術角度看,阿基米德橋的設計與建造遇到很多新問題。例如材料選擇;錨固系統的結構形式;橋岸連線形式;服役條件,以及動力回響與結構安全。結構安全是最令人擔心的事,它包括在地震、海嘯、爆炸以及衝擊載荷作用下的可靠性問題。另外,由於它在波流載荷作用下,疲勞問題和材料腐蝕失效問題更是棘手問題。總之,海洋工程中遇到的結構問題,這裡都有。不過,由於它是交通設施安全問題,更為要緊。
中國建造
2002年年底,中科院院長路甬祥在千島湖考察時了解到千島湖發現水下古城。次年7月,淳安縣相關領導赴北京與中科院專家會晤,在路甬祥的牽線下,中科院力學研究所與淳安縣提出了建造阿基米德橋的構想,雙方簽訂了合作意向書。
2003年,力學所開始和浙江省淳安縣合作,多次到千島湖進行選點和考察。“之所以選在千島湖有幾個原因。”洪友士說:“第一,水深,有足夠的深度建橋;第二,水清,能見度7~9米,今後作為旅遊設施有優勢;第三,是旅遊熱點,每年有200萬的遊客。”
2004年11月,中科院力學所提出建立一座基於實驗室工作、技術方案設計的阿基米德原型橋,其設計考慮、參數設定以真橋為標準。
2004年12月,中科院力學所和義大利阿基米德橋公司簽署了中意阿基米德橋聯合實驗室的合作協定。在建橋的問題上,意方開始主張一步到位、實際建橋,但現在也接受了原型橋這個關鍵步驟的觀念。目前,通過中意雙方合作,阿基米德橋原型橋的結構設計已經取得階段結果,正進入工程設計和施工前期準備階段。
據介紹,考察組從2005年年初開始進行原型橋選點的工作,陸續做了各方面實地考察、測繪、勘探等工作,考察了相應的設計和環境參數,如水位變化、水波、水流、周邊環境、湖底地質、地震、偶發載荷以及水溫、氣溫等情況,並調研了1996年~2005年10年間的水位記載和公元前1800年至今近4000年的地震數據。
在此基礎之上,2006年5月,樣橋建設地點最終選定,並被命名為阿基米德灣,該地地形、地貌適合阿基米德橋原型橋布局,並且交通便利。該原型橋設計長度100~120米、外徑4.4米、內徑約3.5米、平面寬度約2.5米、低水位時距水面2米,通道內可供行人和一輛汽車通行。橋體為鋁合金、混凝土、不鏽鋼的夾層結構,並有觀察視窗。
中國科學院力學研究所與義大利阿基米德橋公司的合作項目——世界首座阿基米德橋(即水下懸浮隧道)的樣橋(Prototype)模型展示會2007年10月22日在中國駐義大利大使館舉行。這是目前中意兩國政府在科技領域內的重要合作項目之一。中意雙方已選定中國南方某地為世界上首座阿基米德橋樣橋(原型橋)的建造地點,樣橋長度為100米。這一項目可望不久從論證轉入實施階段。
2010年10月,首屆國際阿基米德橋學術研討會在千島湖召開,中外科研人員濟濟一堂,對千島湖阿基米德橋原型橋的工程設計和建設方案進行了深入討論。
然而,阿基米德橋的建設是一個世界性的難題,目前世界上有7個國家(挪威、義大利、日本、中國、瑞士、巴西、美國)在研究。如果千島湖的阿基米德橋建造成功,將成為世界上第一座真正建成的阿基米德橋。