这种建筑的外观,完全可以被视为旧金山的城市名片。
但很少有人知道,金门大桥这座悬索桥,实际上只依靠两根巨大的钢缆来承载,它们连接着海峡两岸。每一根主缆都由 27 000 根直径 5 毫米的钢丝组成,被紧密绞合成直径 92.5 厘米的巨大缆索。
而俄国“本土杰作”——俄罗斯岛大桥(Русский мост),虽然在世界范围内的知名度暂时还不如金门大桥,但如今它的形象已经被印在了钞票上。
这座桥的结构并非依赖两根主缆,而是依靠 168 根斜拉索(缆索)。每根斜拉索由 13 到 79 股钢绞线组成,而每一股钢绞线又由 7 根直径 15.7 毫米的镀锌钢丝构成。
这两种设计思路的根本区别在于:
俄国的斜拉索在理论上可以逐根更换,一旦某根出现问题,维护相对灵活;
而美国人如果那种直径接近一米的巨型主缆到了使用寿命极限,又该如何更换或维修呢?
那么,一切最初又是从哪里开始的呢?
原来,直到19世纪以前,人们在悬挂物体或起吊重物时,主要使用的是麻绳和铁链。
麻绳价格昂贵,而且只能在特定的气候条件下使用——毕竟有机材料不耐潮湿。
铁链则存在所有链条共有的经典问题:整体强度并不是由所有链节共同承担,而是取决于最薄弱的那一个链节。此外,铁链在使用过程中本身也并不安全。
1824 至 1838 年间,德国克劳斯塔尔-采勒费尔德(Clausthal-Zellerfeld)的矿山工程师威廉·奥古斯特·尤利乌斯·阿尔伯特(Wilhelm August Julius Albert)在改进矿井运输系统的过程中进行了大量研究。他注意到:
- 麻绳的最大优点在于由多股纤维编织而成,载荷可以在各股之间均匀分配;
- 金属链条的最大优点则在于——它是金属制成的。
于是他产生了一个大胆的想法:如果能把这两种优点结合在同一种产品中,那该有多好!
然而问题在于,当时铁丝的制造成本极其高昂。生产过程大致是:
先将小块铁锻造成细长形状,然后将一端削尖,反复穿过孔径逐渐变小的拉丝模具,直到达到所需直径。这个过程通常还需要依靠水力来完成。
尽管如此,阿尔伯特还是决定尝试。他委托工匠制造了一根直径 18 毫米的钢索,由 3 股钢绞线组成,每股包含 4 根直径 3.5 毫米的钢丝,整体的绞合方式完全仿照麻绳的结构。
这,正是现代钢丝绳诞生的起点。
该制品在靠近克劳斯塔尔-采勒费尔德、深度为 484 米的“卡罗琳娜”矿井中进行了测试。事实证明,尽管存在怀疑者,这一构想的效果不仅达到了预期,甚至远远超出预期。结果显示,这种“阿尔伯特钢索”的起重能力是同直径麻绳的 6 倍,是铁链的 4 倍。同时,它所承受的载荷可达到自身重量的 8 倍,而在卷筒上占用的空间,仅为同等性能铁链的三分之一。
但最重要的优势在于:起重装置即将发生故障时,会提前给出信号——其中某一根钢丝会率先断裂。由于钢丝在绳索中不断在内层与外层之间交替分布,因此问题出现的位置可以立刻被发现。
资料记载,受损的部位可以通过重新连接钢丝进行修复,或者在适当的时候及时更换整根钢索。
维尔赫尔姆·奥古斯特·尤利乌斯·阿尔伯特(Wilhelm August Julius Albert,1787年1月27日-1846年7月4日)是德国的矿业工程师和发明家。
他出生在汉诺威一个市长家庭。曾在哥廷根大学学习法律,毕业后进入**克劳斯塔尔-采勒费尔德矿务局(Bergamt)**工作。不久,他被任命为司法顾问,随后成为矿务局局长。
阿尔伯特在其发明上发表了一篇文章,题为《Die Anfertigung von Treibseilen aus geflochtenem Eisendrath》(《用编织钢丝制造矿井提升绳索》),刊登在当时领先的矿业杂志《Karstens Archiv》上。在文中,他详细描述了第一根钢索的结构、生产工艺以及测试体验。这种公开透明,使得所有对此感兴趣的人都可以按照相同设计自行生产钢索,而无需经历完整的测试流程。
此外,阿尔伯特还是最早记录金属疲劳现象的科学家之一。
据说,他童年时表现出音乐天赋,后来成为一名成功的律师,但他最终以发明世界上第一根金属绳索而载入史册。
附注:有趣的是,这篇文章发表后,其他人像往常一样试图改进发明,却采取了简单的做法——增加绳索股数,把多股直接缠绕在中心股周围。显然,这种做法破坏了原有逻辑,导致载荷分布不均,同时中心股发生断裂时也无法进行目视检查。
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