阿基米德橋

阿基米德橋橫截面可以為橢圓形或圓形，長度可達幾千米，寬度可達幾十米，可通行汽車，也可建成多通道，同時通行汽車和火車。由於技術上的一些難題沒有解決，並且沒有相應的設計、建設標準，目前世界上還沒有一座真正的阿基米德橋。而一旦建成，阿基米德橋將成為一種新的交通方案供人們選擇。更為重要的是，阿基米德橋適用於跨度較大、水位較深等不適宜建橋、隧道的地點。

阿基米德橋又名水中懸浮橋，是跨越深水域的新交通方式。它固定在水面以下，藉助浮力懸浮在水底和兩岸，以防浮出水面，橋頂距水面保持20米以上的距離，以便大噸位船隻通行。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，后因種種原因設計方案未被採納。由想象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Faggiano and Mazzolani，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Alan Grant 對跨麥森納海灣( Messina Strait)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。

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，很像水中橋樑。

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。

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。

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響應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渦激振動(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；橋岸連接形式；服役條件，以及動力響應與結構安全。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。

阿基米德橋學名為水中懸浮隧道。不過，與隧道不同，阿基米德橋藉助於浮力浮於水中；與一般的橋也不同，對於浮力大於重力的阿基米德橋，它和水底的連接方式與橋相反——用纜索(也可以用其他方式)固定於水底和兩岸，以防浮出水面，橋頂距水面保持20米以上的距離以便通行大噸位船隻。因此，阿基米德橋的基礎設計方案與橋樑、隧道有根本區別。

重浮比是阿基米德橋的一個重要參數。據中科院力學所所長洪友士介紹，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。 “這個數字也有待進一步驗證，現在力學所也在探索最佳重浮比的範圍。”洪友士說：“我們有個基金重點項目在研究這些基礎科學問題——水中懸浮隧道關鍵力學問題研究，其中包括長跨度結構在波流作用下的動態響應和在高平均載荷基礎上疊加有周期載荷的結構和材料的完整性問題兩個方面。纜索要承受浮力、交通載荷、波流的影響，及渦激振動產生的周期性載荷，這種情況下其結構的耐久性如何？壽命有多久？此外，纜索在湖水、海水中的壽命往往比在空氣中短很多。因此，阿基米德橋問題的研究既有基本科學問題，也需同實際背景相聯繫，顯然能夠對這類科學問題提供可借鑒的結果。”

阿基米德橋的原理是阿基米德的浮力定律：

①重力>浮力，物體將沉入水底

②重力<浮力，物體將上浮

③重力=浮力，物體將懸浮於水中

2003年，中科院力學研究所與淳安縣提出了建造阿基米德橋通往水下古城的設想，雙方簽訂了合作意向書。從此千島湖千年古城水下觀光有了新可能。

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設想，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。

對於這座一般人連名字都沒有聽說過的橋，浙江淳安縣副縣長王軍諱莫如深，“一切以中科院為準”。

該項目負責人、中科院力學研究所前所長洪友士研究員通過電話告訴記者，阿基米德橋學名為水中懸浮隧道，是一種基於阿基米德浮力定律，被固定於水面以下的封閉通道，是一種跨越水域的新交通方式，適用於跨度較大、水位較深等不適宜建橋、隧道等地點。

“這是對當地環境改變最小的跨水交通方式。”洪友士研究員告訴記者，阿基米德橋一般由浮在水中一定深度的管狀結構、錨固在水下基礎的錨纜桿裝置及與兩岸相連的構築物組成，和架空水面的橋樑、穿越水底地下的隧道相比，懸浮是阿基米德橋最大的特點，懸浮水中的阿基米德橋借用了大自然的力量，主體需要的主要承重力量來自水的浮力，所以對周圍環境影響最小。

按照洪友士研究員描述，阿基米德橋入口和出口均在陸地，中間管道在水中，管道中可以走路行車，“甚至還可以開高鐵。”

阿基米德橋的材料也是工程通用的鋼材和鋼筋混凝土，不過強度會考慮水下受力情況和防腐要求。

對於在千島湖採用阿基米德橋方式實現水下古城觀光，洪友士研究員覺得阿基米德橋有其優勢，一是環保低碳，和隧道橋樑相比對當地環境改變最小，而千島湖環保要求很高；其二懸浮水中的阿基米德橋借用了大自然的力量，主體需要的主要承重力量來自水的浮力，省工省料，這是一種綠色的工程結構；三是適合水下觀光，阿基米德橋是一個封閉的管道，可以穿行水下，遊客可以通過觀景窗口近距離接近水下古城，同時又不會破壞古城；四是阿基米德橋在水下20米，不會影響水上交通。

然而阿基米德橋的建設是一個世界性的難題，至今尚無建成的阿基米德橋。

洪友士研究員認為阿基米德橋最大難點在於其懸浮在水中，雖然可以通過錨固在水下基礎的錨纜桿裝置保持穩定，但其受力方式和橋樑隧道完全不一樣，如何能保持在水中的穩定性技術尚不成熟。

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，並有觀察窗口。

目前中國科學院力學研究所與義大利那波里大學、米蘭理工大學和阿基米德橋公司合作的“中意阿基米德橋聯合實驗室”進行技術攻關，實驗室階段的研究工作已經告一段落，理論研究、計算分析，數據測試已經得到一定結果，實驗室製造的模擬橋的試驗已經通過。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。

下一步將是在實際水域千島湖建造原型橋，這是一個“測試版“的阿基米德橋，洪友士研究員透露原型橋是一個橫截面在3至5米的大圓管，通過原型橋進一步檢驗阿基米德橋的結構穩定性，檢驗實驗室的成果，甚至還要進行走人走車的試驗。

但據記者了解，目前建造原型橋的經費尚未落實。

至於何時能在千島湖建成“世界上第一座阿基米德橋”，洪友士研究員表示目前尚無時間表。

洪認為不同交通方式的選擇和社會發展階段有關係，阿基米德橋最大特點是環保綠色對於環境干預小，在一些環保要求高以及不適合橋樑隧道的特殊水域優勢明顯；洪友士研究員認為社會目前發展階段已經為阿基米德橋出世創造了有利條件。

至於阿基米德橋會不會很“昂貴”，洪友士研究員認為目前技術尚不成熟，所以初始階段造價會比較高，但一旦技術成熟推廣后一定會比橋樑隧道有優勢，國際橋樑專家曾經做過測試，橋樑隧道單位造價會隨著長度增加而增加，而阿基米德橋單位造價和長度幾乎沒有關係。

“阿基米德橋將具有廣泛的科學和市場價值。”在北京中科院辦公室，洪友士研究員通過電話對中新網記者說。

目前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。