自從金門大橋于1937年5月27日通車以來，它一直是美國風景中的一個標志性符號。

到1870年，人們已經意識到建造一座橫跨金門海峽的大橋以連接舊金山市和馬林縣的必要性。然而，又過了半個世紀，結構工程師約瑟夫·施特勞斯才提交了他的建橋方案。計劃不斷演變，最終的項目被批準為一座懸索橋，最終花了四年多時間才建成。

當金門大橋建成時，它有世界上最長的懸索橋跨度--鋼索在兩座塔之間支撐起路面，沒有中間支撐。而這一設置也有一些固有的挑戰。它在當時花費了大約一百萬美元；今天建造同樣的結構將花費大約十億美元。那么，在過去的80年里，這個設計是如何堅持下來的--如果我們今天從頭開始，我們會采取不同的做法嗎？

金門大橋是一座懸索橋，這意味著它是依靠張力下的纜繩和吊索以及壓力下的塔架來跨越長距離，沒有任何中間支撐。路面懸掛在垂直的吊索上，吊索連接著兩根主纜，這兩根主纜在塔樓和端部的錨之間運行。吊索將車輛的力量和自重轉移到錨定在塔架和堅實地面上的支撐纜繩上。

這種類型的第一座橋可能是用柔性繩索連接兩個懸崖，以跨越山谷或河流。幾百年前，這些繩索是由植物纖維制成的；鐵鏈子是后來才出現的。紐約市的布魯克林大橋于1883年開放，是第一個使用鋼纜的大橋，后來成為標準。

橋塔開始時可能是在山谷兩邊的簡單巖石；最終工程師們使用了巨大的石頭或鋼制橋墩。例如，金門大橋是由兩端的一個橋墩和兩個塔樓支撐的，這兩個塔樓被放置在嵌入海底的地基上。

金門大橋的兩根支撐纜繩是自1937年大橋通車以來唯一沒有改變的東西。每條主纜由27,572根鋼絲組成，厚度約為一支鉛筆。施工人員將近80,000英里的鋼絲繩從橋的一邊掛到另一邊。

為了完成這項工作，幾乎不可能一氣呵成地制造一條沒有瑕疵的長而粗的纜繩。而且最關鍵的是，如果一根大纜繩支撐著大橋，而它發生了什么問題，就會出現災難性的故障。依靠較小的纜繩意味著任何故障都會較慢，留下時間來轉移災難。

自從人們第一次開始考慮在舊金山海灣建橋，人們就對該結構能否承受該地的強風、湍流和可能的地震力表示了極大的關注。舊金山位于兩個活躍的構造板塊的交匯處--顯然沒有人希望看到地震使這座目前每天運送約112,000輛汽車的大橋倒塌。

為了避免這個問題，建設者還在橋的兩端設置了減震器，以吸收來自風力或地震力的能量。這些特別設計的減震器是由橡膠覆蓋的鉛芯制成的一米直徑的圓柱體。放置在戰略位置，它們吸收能量，否則可能導致橋梁倒塌。

傳統智慧認為，一個基礎設施項目在其落成后不久就會結束。但保持金門大橋的最佳狀態需要持續的嚴格維護。80年來，專門的維修人員對大橋進行了維修，重新粉刷，并在必要時替換被腐蝕或損壞的部件。

這項工作必須按照嚴格的標準進行。例如，當連接大橋各部分的數千個螺栓中的任何一個需要更換時，同時取出的螺栓不能超過兩個，以保證大橋在強風或地震力下的安全。

也有結構性維護問題。由于時間的流逝和持續的溫度變化，纜繩和吊索會拉長或收縮，需要定期檢查和重新拉緊。這種類型的調整被稱為 "調音"，類似于音樂家如何保持弦樂器的最佳音質。

由于巨大的維護成本，一些人建議重建金門大橋，以限制持續的維護和運營費用。拋開政治上的可行性不談，如果工程師們今天要從頭開始建造這座橋，他們會如何設計？

隨著時間的推移，研究人員已經開發出更輕的材料。使用纖維增強復合材料（FRP）而不是鋼或混凝土是減少這種規模結構重量的一種方法。這種自重通常負責使用其70%至80%的阻力--這是它在失效前所能承受的最大載荷。通過減重，橋梁的結構將需要更少的強度，允許更便宜和更容易的選擇。

例如，設計師已經開始在橋梁中使用纖維增強復合材料（FRP），如西弗吉尼亞州的市場街大橋。FRP使用塑料樹脂將玻璃或碳纖維結合在一起，使材料具有強度。由于比混凝土輕四倍，FRP的強度是五到六倍。

在替代金門大橋中，設計者的第一個目標可能是改變纜繩的成分。目前使用的鋼材具有腐蝕性，比新材料重四倍，在惡劣的濕度和溫度環境中可能會失效--就像它在這個地方遇到的那些環境。碳纜的耐腐蝕性更強，已經在世界各地使用。

這些比鋼更輕的材料也可用于橋梁的其他部分，如交通道路。使用塑料復合地板可以使金門大橋的橋面自重減少五倍。這將使工程師能夠設計和建造一座斜拉索橋，而不是一座懸索橋。這樣做的好處是可以取消吊索；在斜拉索橋上，力通過纜繩直接從橋面傳到橋塔上。第一座使用CFRP纜繩的公路斜拉索橋是瑞士的Stork橋，于1996年開通。

斜拉索橋可以比懸索橋有更長的跨度，所以其支架和岸邊之間的結構可以更簡單。另外，將塔架建在離岸邊較近的地方，那里的水床比較淺，這將有助于緩解金門大橋第一次建造時的一個主要問題。在水流湍急的深水中進行塔基施工是非常困難和昂貴的。

阻尼系統也可以通過新的設計來解決。建造金門大橋時使用的基于鉛芯的阻尼器可以被更新的技術所取代，這些技術能夠更好地抵抗風、交通和地震力。這種改進將確保防止像塔科馬狹長橋那樣的故障——當風把橋吹向一邊時，產生扭曲并倒塌。

說了這么多，金門大橋仍然做得很好。即使有其他可行的和更便宜的選擇，也沒有人現實地致力于取代這個裝飾藝術的標志和其世界著名的 "國際橙色 "油漆。金門大橋受到密切監測，以確保它不會因交通、風力和地震載荷而超過其壓力極限。工程師預期這個工程杰作至少還能堅持80年屹立不倒。

此文由中國復合材料工業協會編譯，文章不用于商業目的，僅供行業人士交流，引用請注明出處。