力學與材料學推動下的橋梁發展

霍美諭

【摘 要】橋梁是一種土木工程結構，人類運用智慧創造它來跨越自然地形帶來的交通局限，使交通工具能暢通無阻的行駛在江河湖海上。從古至今中國的造橋技術別具一格，尤其走進現代后在力學與材料學等先進科技的幫助下，橋梁從設計到構建都形成了新的方式，無論是桁架結構還是板殼結構都能在實踐分析中構建出不同的橋梁。基于此背景，筆者對力學與材料學推動下的橋梁發展展開了分析，以高中生為視角展開敘述，希望能為相關工作人員提供理論借鑒。

【關鍵詞】力學；材料學；橋梁

一、淺議中國橋梁

中國國土廣博，山川河流縱橫交錯，自古以來在橋梁工程建設上就多于其他國家，因此無論是從橋梁建設的總數還是建設橋梁的技術，我國都處于世界領先地位。我們既有趙州橋、盧溝橋這種飽含歷史色彩的橋梁，也有長江大橋、天門大橋這樣見證新時期、新社會、新發展的橋梁。面對當前快節奏的經濟發展，我國高速公路和高速鐵路的建設更是突飛猛進，全國各地的橋梁總數遠超其他國家，成為世界上橋梁最多的國家。

二、不同階段力學與材料學對橋梁發展的推動作用

（一）古代橋梁

古代人類能使用的造橋材料有限，畢竟古代的科技與生產力相對低下，大多情況只能選擇石材與木材作為主要材料，這兩者都有先天的不足。同時，古人對力學基礎理論的掌握也比較缺乏，沒有系統的理論知識，僅憑工程師的經驗是難以維系橋梁平衡的。真正的力學與材料學知識在十九世紀初才得以完善，這之前人們無法運用科學區計算橋梁的承載力，更不用提結構設計了，所以通過觀察古代中西方橋梁設計不難發現大多為簡單的搭接和架設，由于不能形成很大的跨徑，所以在技術依托上相對落后。不過這些并不能阻止人類智慧的發展，橋梁工程還是一點點萌芽了先進的技術，譬如羅馬時代就出現了打木板樁構建圍堰，中國興建的洛陽橋也是用膠固形成筏形基礎[1]。

（二）近代橋梁

時間推進到十八世紀后，鋼鐵和水泥應運而生，材料的可塑性給橋梁發展帶來了新生，并且隨著這階段工程技術的進步橋梁迎來了發展的春天。英國的塞文河橋是近代第一座由鋼筋水泥筑成的橋梁，這座橋始建于1779年，為半圓拱，跨徑三十多米，當時的設計師與工程師經過測量與換算對鋼筋水泥可能產生的應變、應力、剛度做了預設，判斷了各種材料的極限，終于在實踐后動工，走出了歷史性的一步。同樣的在中國1705年，中國修筑了大渡河瀘定鐵鏈吊橋，這座橋后來出現在毛澤東的《長征》一詩中，足以說明該橋建造質量良好延續多年仍可以使用。到了十九世紀中期，以力學與材料學為基礎的橋梁建造技術逐步成熟，這時涌現了桁架橋，這種橋梁的剛度與強度都高于吊橋，因此在城市公路、鐵路建設中多為使用，除了以承載力為代表的的靜力作用以外，人們也更加關注抗風設計與加勁梁的設計，像舊金山金門橋就是如此。后來英國人在此基礎上又發明了懸臂梁的設計，在愛丁堡的河口建造了鐵路懸臂梁橋。十九世紀末到二十世紀之后的二三十年，經過幾工業革命的洗禮，力學理論有了更多進展，像彈性拱理論，與此同時材料基礎理論也隨之進步，鋼筋混凝土的應用就像一次技術刷新改變了橋梁建設的基本材料，鋼筋混凝土具有足夠的韌性和抗壓能力，不會輕易變形，應用到橋梁中就大大提高了承載力。

（三）現代橋梁

現代橋梁正式出現于二十世紀三十年代，這時高強度鋼材登上了歷史舞臺，給橋梁發展提供了堅實的材料基礎，同時力學與材料學理論也不斷進步，所以以預應力鋼筋棍凝土技術成為了這階段建造橋梁的主要技術，并不斷改進延續至今。以前1928年，法國的一位工程師就提出了將高強度鋼絲與混凝土結合，這改變了原先普通的鋼筋混凝土容易產生裂痕，不牢固，易變形的缺點，進一步提升了橋梁的承載力，無論是在坡度較高的地區使用懸臂安裝法還是在坡度較緩的地方使用頂推法都對橋梁建設作出一定貢獻。后來這種預應力鋼筋混凝土橋梁的結構也被時代所淘汰，為了跟上時代的步伐出現了標準化結構設計與施工方法，這樣在橋梁建設中就能滿足跨度的要求，斜拉橋和懸索橋漸漸成為高長大橋梁的主要形式。一方面這兩者都是采用預應力鋼絲索作為懸索來提高橋梁的承載力的，并且一些加勁梁能構成自錨式的形狀，這樣通過鋼索把原有的承載力轉移到了塔上，通過分攤重量降低對橋梁的壓迫感。[2]當然不完全相同的是，斜拉橋更側重于斜拉索向橋面的力的傳遞，而懸索橋更傾向于利用拉索傳遞力量到主索。總之，這兩者的應用增強了橋梁的跨度與長度，中國建國后這些年所建設的橋梁無一不是用這種方法進行結構設計，譬如青島海灣大橋就是中國自己設計、建造的最大跨海大橋，也一度成為領先世界的跨海大橋。在世界上幾個著名的橋梁亦是如此，比如梅勒爾貝克橋就是典型的懸索橋，布羅東納橋就是典型的斜拉橋，還有很多以此為基礎設計的橋梁。還有今年五月份才通車的港珠澳大橋也是雙塔式斜拉結構，它取代了青島跨海大橋的地位，成功成為新一任最長跨海大橋，全長約五十千米，主塔高約325米，是目前少有的跨度大于一千米的公鐵兩用斜拉橋。[3]當然，這并不是橋梁建設的終點，隨著力學與材料學的不斷研發，還會有更便捷、更高效、更堅固的技術產生，對橋梁構建產生影響，開啟嶄新的技術革命。

三、結語

綜上，我們對力學與材料學推動下的橋梁發展有了簡單認識，從古至今人們對橋梁的探索從未停止，在材料水平低下與科技理論不成熟的古代，人們依然依靠智慧推動了橋梁構建新技術的萌芽。近代橋梁依托鋼筋水泥與一定的結構力學和材料學開啟了橋梁構建新時代。到了二十世紀三十年代，鋼筋混凝土的出現彌補更多材料的不足，斜拉橋和懸索橋逐漸成為橋梁建設的新方式。總的來說，世界橋梁的發展處于積極蓬勃的狀態，當然依然有很多實際問題需要考量研究，譬如怎樣控制橋梁建設中多種動力荷載的耦合作用，如何控制響應和振動。筆者相信隨著力學與材料學研究工作的推進一定會給橋梁建設注入新的靈感，進而推動橋梁的不斷發展。

【參考文獻】

[1]迎接新世紀挑戰的力學──力學學科21世紀初發展戰略的建議[J]. 白以龍，周向恒.力學與實踐. 2004（01）.

[2]公路橋梁施工中混凝土裂縫產生的原因及防治對策[J]. 蔡宇環，安家慧，閆雨菡.四川水泥. 2018（03）.

[3]橋梁建筑中的力學[M]. 大連理工大學出版社 ， （英）馬丁·皮爾斯（MartinPearce），（英）理查德·喬布森（RichardJobson）著， 2003.