千吨火车压桥抗洪，“压梁”的力学原理你知道吗？

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　　导读:
　　这两天，一段“8000吨火车开上涪江大桥抗洪”的视频在网络上爆红，点击量超过100万。向勇敢的铁路工作者致敬，向四位火车司机致敬!一起来看看“火车压桥”背后的科学原理吧……

　　这几天，和东南沿海台风一样牵动人心的，还有我国西南地区的暴雨情况……

　　涪江大桥遇险，现场十万火急!

　　10日四川省气象台的数据显示全省11个气象监测站降雨量累计超过250毫米。日降雨量超过250毫米即为特大暴雨，这样看到，全省已有11个站点出现了特大暴雨。其中，绵阳就占了6个。全省最大的降雨量出现在绵阳江油武都东坪村，降雨量达到了343.8毫米。绵阳确认发生1949年以来最大洪水!

　　部分河段洪水已超过堤防设计标准，存在漫堤或溃堤风险，7月11日上午，持续的暴雨导致涪江绵阳段水位暴涨，达到了宝成铁路涪江铁路桥封锁警戒水位，涪江大桥面临着建成以来最大洪水威胁!于是中国铁路成都局集团有限公司应急指挥中心临时调来两车共8000吨道砟，增加大桥自重对抗洪水对大桥桥墩、桥桩的冲刷…

　　为什么要使用“重载列车镇桥”，在接受采访时，中国铁路成都局集团有限公司绵阳工务段副段长张明表示，因为宝成铁路涪江大桥是钢梁大桥，自身重量不大。如果洪水继续上涨超过大桥主体钢梁，大桥可能被洪水冲走。

　　镇桥三大原因

　　1、宝成铁路四川段开通以来，涪江铁路桥首遇超封锁警戒水位，根据相关安全原则，必须对大桥进行封锁并应急抢险，以保证大桥乃至全线安全;

　　2、钢结构桥梁自身较轻，对抗洪水的能力有限。如果不增加自身重量，洪水一旦过桥，大桥钢结构桥梁可能被冲走;

　　3、经与上游涪江某水电站沟通，发现后者泄洪量可能很大，可能给下游位置的涪江大桥带来重大安全威胁。

　　张明说，绵阳工务段技术人员参考国内其他同类钢结构桥梁抗洪经验，提出以列车装载重物压制大桥，增加大桥重量以达到增加其对抗洪水的能力。“这是国内甚至世界上比较常规的方案，只不过宝成铁路开通以来，第一次面对如此严峻的洪水威胁”。他说，方案应急方案早有准备，只是这么大的洪水，不会经常遇到。

　　张明告诉记者，绵阳工务段的保桥方案很快得到应急指挥中心的许可。此时，恰好宝成铁路进行大修，正在全线更换铁路道砟(轨下石块)。因遭遇连日阴雨，一列老K车(铁路专用卸砟车)和一列货车，各满载4000吨新道砟，停靠在宝成线绵阳北站，距离涪江铁路桥只有四五公里，正好担此“重”任，进可抢险救急，退可继续作为“铺路石”。

　　“整个压制负重时间约五个小时，直到洪水退到限速水位。”张明说，整个铁路系统数十人参与抢险，仅绵阳工务段就出动近20人抢险。直到洪水不再危及大桥安全，两列镇桥列车才撤回绵阳北站。

　　火车压桥的原理是什么?

　　知乎网友@猪小宝解释了为什么要用火车压桥：

　　在洪水期间临时用货运列车「压梁」，确实可以在一定程度上预防桥面被洪水冲走。比如说，早在1915年，加拿大埃德蒙顿就把一列满载碎石的列车停在洪水中的北萨斯喀彻温河的一座铁路桥上，预防桥梁被洪水破坏。

　　再比如2013年的密歇根州大急流城，同样是用满载的列车停在洪水中的桥梁上：

　　横向的桥面和竖向的桥墩之间，并不是纹丝不动的刚性连接，一般都是用两者之间的支座连接在一起的。简单说，桥墩上面有橡胶或者其他材料制成的支座，类似垫片，然后桥面直接放在这些垫片上面，就像是搭积木一样。

　　也就是说，大多数的桥面其实是直接「放」在桥墩上面的，而并不是刚性连接在一起的。比如下面这个简图，侧面看上去就像是两横三竖的积木，剖面看上去就是桥面梁放在桥墩的顶部。

　　既然是像摞积木一样的搭在上面，那么理论上说，如果来一个足够强大的变形金刚，或者高达，或者环太平洋里的机甲，站在桥底下，然后像健身的时候举杠铃一样托着桥面往上举，事实上是很容易就能把桥面举起来的。因为桥面就只是放在桥墩上面，并没有刚性的连接在一起。

　　或者说，变形金刚站在水里，把桥面往侧面推，那么事实上也是可以把桥面整个推下来的。

　　桥梁的正常使用中，主要只有桥面上的列车往下压的力，基本不存在这样的往上举或者往侧面推的力，所以平时的桥面可以非常牢靠的呆在桥墩上面，不会出任何问题。

　　但是洪水来了就不一样了，如果水位上涨到桥面的位置，整个桥面的底面和侧面都会受到水流的巨大冲击。同时，因为洪水的破坏力，其中可能夹杂了大量从上游冲下来的杂物，比如树木、建筑物残骸、大型垃圾、大量泥沙等等，而此时横穿河面的桥面就像一道拦河坝，这些杂物会以相当快的速度冲撞桥面的侧面，造成巨大的伤害。

　　比如这是1915年加拿大埃德蒙顿洪水的另一张照片，我们可以清晰的看到停在桥上的列车，看到水位即将到达桥面，同时也能看到桥梁前面淤积了被洪水冲来的撞击在桥面上的大量建筑物残骸。

　　比如这是2017年印度奥里萨邦的洪水冲坏的铁路桥梁。两边的桥墩还在，但是中间搭着的桥面已经被洪水整个冲走，就像整个被一个变形金刚给推下去了一样。

　　所以这时候，我们就需要一些临时措施来保护桥梁。

　　把装载了重物的列车停靠桥面上，相当于给桥面增加了额外的重量。这时候，变形金刚或者洪水再想推动桥面，就要多费一些力气了。

　　很简单的关系，比如桥面和桥面上面所有东西的重量用W 表示，变形金刚或者洪水在侧面推的力用F 表示，那么我们取力矩平衡，力矩等于力的大小乘以力到旋转点的距离，很容易我们就能得到F 乘以H 等于W 乘以L。所以F 就等于W 乘以L 再除以H。

　　所以结论很显然，在尺寸不变的前提下，F 正比于W。桥面的重量W 越大，要想推翻它需要的侧向力F 也就越大。

　　也就是说，同样的洪水，能量固定，流速固定，能输出的侧向力F 也就差不多是一个定值，其所能推翻的桥面的最大重量W 也就是个定值。只要我增加桥面的重量，让最终的总重量大于这个W，就可以保证桥面的安全。

　　来源：中国科讯公众号(ID：Sci-think)，原文整理自中国青年报综合采写、封面视频、知乎@猪小宝。