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纳维设计建造的第一座悬索桥 精选

已有 4617 次阅读 2017-11-19 05:27 |个人分类:科技发展史|系统分类:科普集锦

回顾力学史上的多位力学家,他们不仅是伟大的力学家同时也是伟大的工程师。我们所熟知的研究杠杆原理的古希腊力学家阿基米德(Archimedes,公元前287~212年),就将力学应用于工程,制造出了抛石机、起重机、抽水机等实用机械,此时力学在工程中还只是辅助作用。

而在19世纪,法国力学家纳维(Claude-Louis-Marie-HenriNavier17851836)不仅建立了弹性力学、流体力学的基本方程,提出了利用双重三角级数求解简支矩形板等理论成果,他还在1824-1826年间设计、并建造了一座悬索桥,该桥改变了以往工程师凭借经验进行设计的传统,成为第一座利用力学原理进行设计并施工建造的桥梁。

(a) 纳维在塞纳河上设计的悬索桥

(b) 大桥的局部

1 纳维设计的大桥,  来源于文献[1]

据记载最早的悬索桥出现在中国汉朝喜马拉雅西南地区,用藤条编织而成,人直接踩在藤条上通过;在16世纪的南美洲,出现了绳索桥。现代的钢索悬索桥是由美国发明家James Finley首创的,并申请了专利。但他不同于纳维,他是完全建立在经验和实践基础上的工程专家,靠着乡村铁匠的加工制造就可以造桥。1801James Finley建造了他的第一座桥梁Jacob's Creek Bridge

Jacob's Creek Bridge 建造于1801年,造价600美元。长21米,宽3.81米  [维基百科]

截止到1820年,他就在美国建造了40多座悬索桥。但这种经验也存在一定的风险,1809年他在宾夕法尼亚的Dunlap河上建造了一座桥梁,到1820年时,一队载重的六马车队通过该桥时发生了坍塌。

但这并没有影响到悬索桥的推广,在James Finley发明悬索桥之后不久,英国一位退休的海军军官将James的悬索桥引进到了英国,在特威德(Tweed)河上建造了一座长436英尺(约133米)的悬索桥,这座桥的长度是美国最长悬索桥的两倍。此后,悬索桥建造在英国很快流行起来,法国政府也要求道桥学院(纳维在此任教)协助发展悬索桥。

纳维曾于1821年和1823年两次参观英国的悬索桥,并于1823年发表了他关于悬索桥的著作。他第一次对悬索桥进行抽象并进行数学分析,正如我们如今使用数学去建造悬索桥的数学模型。当时主要分析的是桥梁的平衡和稳定问题,考虑结构形状、车辆载荷、以及热、风振、水流等几个方面的影响。纳维的这种分析方法在后来也深深影响了现代弹性力学奠基人柯西(Augustin Louis Cauchy1789-1857)。

纳维经过研究,决定在塞纳河上建造一座悬索梁,设计跨度为155米,被称为Pont des Invalides(法语:荣军大桥,pont为桥梁,des连接词,Invalides荣军院)。1823年,纳维在道桥学院陈述了自己的设计,每一个细节都经过严格的数学计算,这里没有大多数工程师惯用的设置多余建筑以保证结构安全的措施,完全依赖于数学和力学分析。

专家委员会特别满意,并赞扬说理论处处点亮实践theory everywhereilluminates practice),18244月大桥正式开建。但遗憾的是,18269月就在桥梁快要竣工的时候,由于附近泵站水管破裂,桥墩周围土体受水浸泡后,桥墩也出现了裂缝。这样由于纳维没有设计多余建筑保障结构安全,专家委员会对桥墩安全提出了质疑,起初认为经过必要的修缮措施后,桥梁仍旧可以正常完工。但在谁该出钱进行修缮时,学院与承包方出现分歧,最后因政治因素的介入使得问题变的更加复杂,致使桥梁最终停建。

尽管纳维当时没能进行模型试验和安全系数设定以保证结构有一定的安全冗余,但就纳维在工程上的尝试是值得肯定的,专家委员会也一直认为纳维的设计是新颖的,他为力学应用于工程实践做出了重要贡献。虽然建桥事件给纳维造成了很大的挫折,但法国政府一直视他为最主要的科技顾问,这一次尝试也打开了力学指导大型工程建设序幕。

参考文献

[1] CannoneM, Friedlander S. Navier: Blow-up and Collapse[J]. Notices of the AmericanMathematical Society, 2002, 50(1)7-13.

[2] 维基百科  simple suspension bridge. https://en.wikipedia.org/wiki/Simple_suspension_bridge#History

[3]维百科 James Finleyhttps://en.wikipedia.org/wiki/James_Finley_(engineer)




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