力學與材料學推動下的橋梁發展

韓松

橋梁，一般指架設在江河湖海上，使車輛行人等能順利通行的構筑物。橋梁最主要的目的，就是為了解決跨水或者越谷的交通，以便于運輸工具或行人在橋上暢通無阻。從最初的功能來說，橋梁專指跨水行空的道路。《說文解字》段玉裁注中即有“梁之字，用木跨水，今之橋也”的解釋，說明橋的最初含意是指架木于水面上形成的通道；古語中也用“逢山開路，遇水架橋”來形容即使遇到艱難險阻，也依然努力向前的精神。由此可見，橋梁是人類建造的用來跨越自然地形的土木工程結構。

話說中國橋梁

中國山川眾多、江河縱橫，所以自古以來中國就是橋梁大國，從古至今，無論是建橋技術，還是橋梁數量，都處于世界領先地位。中國既保留著趙州橋、盧溝橋、廣濟橋這樣歷史悠久的古代橋梁，也有長度世界第一的丹昆特大橋（全長164.85千米）、世界最高的公路鐵路兩用橋梁—滬通長江大橋（正在建設中）、世界上跨徑最大的鋼拱橋—重慶朝天門大橋（主跨長552米）等世界著名的現代化橋梁。尤其在高速公路和高速鐵路快速建設的今天，中國橋梁數量更是飛速發展。據統計，中國公路橋梁總數已經超過了80萬座，鐵路橋梁數超過20萬座，是世界上橋梁最多的國家。

力學與材料學對橋梁技術的推動

從發展歷史來看，橋梁可以分為古代、近代和現代橋梁三類。隨著人們對工程技術的不斷鉆研，橋梁從材料選取到結構設計、從建設施工到通行能力，都有了質的飛躍。

古代橋梁

人類從什么時候開始有目的地伐木為橋或架石為橋已難以考證。從歷史上看，木材和石材在數千年間都是人類建造橋梁的主要材料。但兩種材料卻都有先天的不足，可以說，材料的發展嚴重制約了古代橋梁技術的進步。另一方面，力學基礎理論的缺乏也制約著橋梁的設計和建設。盡管經典力學在18世紀左右已經發展地較為完善，但力系的簡化和平衡的系統理論，即靜力學體系的建立，是潘索于1803年在《靜力學原理》中才完成的。在此之前，結構力學和材料力學這兩大力學基礎分支尚未出現，人們無法使用力學原理來分析橋梁的承載能力，更無法進行結構設計。幾乎所有橋梁的設計都來自生活經驗（如拱橋和梁橋），并采用最簡單的搭接和架設方式，無法形成大的跨徑，也難以設計合理的拱形。

盡管如此，古代橋梁結構的工程探索依然出現了技術進步的萌芽。比如，羅馬時代出現了橋梁基礎的圍堰施工方法，即打木板樁成圍堰，抽水后在其中修筑橋梁基礎和橋墩；中國在11世紀初修建的洛陽橋，建設過程初期首先在橋址江中遍拋石塊，其上養殖牡蠣兩三年后膠固形成筏形基礎，這體現了中國古代勞動人民的智慧。

總的來說，在18世紀以前的橋梁，材料基本以木材和石材為主，嚴重制約著橋梁技術的進步。工程技術和設計理論尚處于萌芽階段。

近代橋梁

隨著18世紀前后鋼鐵和水泥的出現，材料的發展和工程技術的進步為橋梁技術注入了新的活力，這一時期的橋梁我們稱為近代橋梁。

世界上第一座鑄鐵橋是英國科爾布魯克代爾廠于1779年所造的塞文河橋，該橋為半圓拱，由五片拱肋組成，跨徑30.7米。中國于1705年修建了四川大渡河瀘定鐵鏈吊橋，橋長100米，寬2.8米，至今仍在使用。與此同時，橋梁設計理論也出現了飛躍式的發展。力學與材料學的快速發展，使得相關基礎理論被運用到橋梁設計中，并逐漸成為橋梁技術發展的核心推動力。可以說，現代橋梁技術大多是建立在力學和材料學相關理論快速發展的基礎上的。

19世紀中葉，力學領域的科研人員相繼建立起橋梁的力學基礎理論和結構分析理論，推動了桁架橋的發展，促使橋梁設計中出現多種形式的桁梁。根據桁架結構的基本力學特點，其剛度顯著強于吊橋，這樣的特點使得桁架橋設計大量應用于鐵路橋梁。在19世紀中葉，跨徑大于60～70米的公路橋都采用鍛鐵鏈吊橋，而鐵路橋基本都采用桁架橋的形式。

橋梁設計中的力學原理除了以承載力為代表的靜力作用之外，動力作用相關的力學原理也逐漸成為研究人員關注的重要內容。1879年12月，剛剛建成18個月的陽斯的泰灣鐵路鍛鐵橋被大風吹倒，這一事故推動了橋梁抗風設計的研究和發展，之后的橋梁都會采用抗風構或加勁梁的設計。如尼亞加拉瀑布公路鐵路兩用橋采用了鍛鐵索和加勁梁；紐約布魯克林吊橋采用了加勁桁架來減弱震動；舊金山金門橋和奧克蘭海灣橋也都是采用加勁梁的吊橋。

19世紀中期還出現了根據力學設計的懸臂梁結構。英國人根據中國西藏木懸臂橋式，提出錨跨、懸臂和懸跨三部分的組合設想，于1882—1890年在英國愛丁堡福斯河口建造了鐵路懸臂梁橋。這座橋共有6個懸臂，懸臂長為206米，懸跨長為107米，主跨長為519米。20紀初期，懸臂梁橋曾風行一時。到了19世紀末，力學理論又有新的進展，彈性拱理論已逐步完善，促進了20世紀20—30年代修建較大跨的鋼拱橋。如貝永橋（跨徑504米）、悉尼港橋（跨徑503米）、岳門橋（跨徑305米），這三座橋均為雙鉸鋼桁拱。可以說，這一時期力學理論的進步引領了橋梁結構設計的基本方向。

另一方面，材料基礎理論的進步也積極推動著橋梁工程進入新時代。比如，鋼筋混凝土橋梁的出現，從材料學研究的角度講，已經初步具備了現代橋梁的雛形。鋼材與混凝土的協同工作，從土木工程材料學的角度來看，無異于一次技術革命。兩種材料在單獨使用的時候都有其顯著的劣勢：鋼材抗拉性能優異，具有足夠的韌性，但抗壓穩定性差，單獨使用容易出現屈曲失穩現象；混凝土材料抗壓性能優異，但屬于脆性材料，抗拉性能差，使用中容易出現受拉或受彎開裂。鋼筋混凝土是將鋼筋埋入混凝土中受拉區的部分，讓兩者協同工作共同受力。受力過程中鋼筋抵抗拉力，混凝土抵抗壓力，協同工作，使得結構的承載能力大幅提高。因此，1900年之后的二三十年間，出現了大量的鋼筋混凝土拱橋和梁橋。

現代橋梁

隨著預應力混凝土和高強度鋼材在20世紀30年代登上歷史舞臺，材料理論與力學理論協同發展，在橋梁技術的進步中占據了主導地位。以預應力鋼筋混凝土技術為標志，橋梁結構從近代橋梁發展到現代橋梁。

法國弗雷西內工程師在1928年提出了用高強鋼絲和混凝土制成預應力鋼筋混凝土，克服了鋼筋混凝土易產生裂紋的缺點，使橋梁結構能夠進一步提高承載力、控制變形，也使橋梁可以用懸臂安裝法、頂推法等新的施工方法進行建設。隨著高強鋼筋和高強混凝土的不斷發展，預應力鋼筋混凝土橋的結構不斷改進，跨度不斷提高，也逐漸出現標準化的結構設計和施工方法。

隨著工程對橋梁跨徑要求的不斷提高，斜拉橋和懸索橋逐漸成為長大橋梁的主要形式。斜拉橋和懸索橋都是使用預應力鋼絲索作為懸索，并同加勁梁構成自錨式體系，通過鋼索將橋梁的力傳遞到主塔來承重；不同的是，斜拉橋是通過斜拉索直接將橋面的力傳遞至橋塔，而懸索橋是通過拉索垂直傳遞到主索，再由主索將力傳遞至橋塔。斜拉橋和懸索橋的設計形式為橋梁結構提供了更大的跨越長度。

像梅勒爾貝克橋和瑪麗亞凱克橋是預應力鋼筋混凝土懸索橋，馬拉開波湖橋是典型的斜拉橋結構；瓦迪庫夫橋、帕斯科-肯納威克橋、布羅東納橋都是典型的預應力混凝土斜拉橋。中國現有的著名長大橋梁也多為斜拉橋或懸索橋。如青島海灣大橋，也被稱為膠州灣跨海大橋，是中國自行設計、施工、建造的特大跨海大橋，大橋全長36.48千米，主跨為懸索結構，曾經是世界上最長的跨海大橋，現在則被剛剛通車的港珠澳大橋所取代；港珠澳大橋于2018年5月13日正式通車，主體工程全長為49.968千米，主跨為雙塔式斜拉結構；正在建設中的滬通大橋有世界最高公鐵兩用斜拉橋主塔，正橋為兩塔五跨斜拉橋，大橋主塔高325米，采用鉆石型混凝土結構，約100層樓房高，大橋主跨1092米，建成后將是世界上首座跨度超千米的公鐵兩用斜拉橋。

目前，從全世界范圍來看，橋梁工程依然長期處于蓬勃發展的態勢，橋梁技術相關的基礎理論研究工作也在如火如荼進行中，越來越多的工程難點和理論問題成為研究熱點，例如橋梁結構在服役環境中往往同時經歷多種動力學作用，包括風荷載、車輛荷載、行人荷載、下部行船、橋梁自振等。多種動力荷載的耦合作用可能引發難以掌握的動力響應和振動，使得橋梁經受風-車-船-橋耦合振動作用，這一作用對橋梁結構的影響就是非常典型的復雜動力學問題。力學和材料學方面研究工作的新進展都會給橋梁技術注入新鮮血液，大量新工藝、新材料、新設備被運用到橋梁工程建設中，推動橋梁工程的基礎理論、結構設計和工程建設水平不斷進步。