桥梁工程的发展历史回顾与未来展望

程 勇

(中铁四院集团南宁勘察设计院有限公司，南宁 530003)

0 前言

桥梁的建造和人类的文明发展息息相关，也是人类文明的重要组成部分。建造桥梁，跨越障碍，是人类不懈的追求与梦想。毛主席曾有诗云:一桥飞架南北，天堑变通途。今天的桥梁不仅可以实现人类跨越大山大河的梦想，它还可以极大地改善城市的交通状况，有的还是城市特有的一道亮丽风景。

桥梁的发展历史也是一部科技的发展历史，它始终紧跟科学技术发展的步伐，不断创新，产生了一次次的飞跃。

1 桥梁学科的发展历史及规律

距今约三千年时，我国已掌握架设大型浮桥的技术，在宽阔的渭河上架设浮桥。

至18世纪前，桥梁建筑大都以石料、铁、木材为主要的建材，其中以赵州桥和大渡河铁索桥(见图1和图2)为典型代表，体现了古代中国桥梁的伟大成就［1］［2］。赵州桥原名安济桥，建于隋代，桥全长约50.82米，拱矢高7.23米，是我国现存的石拱桥中最古老并为当时跨径最大的石拱桥，且是世界桥梁史上敞肩拱的首创。泸定桥建于清康熙年间，水平跨度100米，桥梁宽度2.9米，跨度超越了19世纪欧洲和北美所建造的第一批这种类型的铁桥，且在250年后的今天仍在使用中。

图1 赵州桥

图2 大渡河泸定桥

18世纪以后，欧洲进入工业社会，开始进行大规模的铁路桥梁建设，这是现代桥梁的开端。19世纪，波特兰水泥、现代钢材在欧洲出现，土木工程实现了质的飞跃，桥梁结构形式及规模有了突破，混凝土桥和钢桥的发展获得了空前的发展。迄今，以美国布鲁克林悬索桥及英国福斯悬臂桁架桥(见图3)为标志的桥梁建筑仍散发着西方工业文明的气息［3］。其中，福斯铁路桥建于1890年，是跨越福斯湾海峡上的第一座桥梁，结构体系新颖，采用“纺锤型”桁架形式，施工历时七年，动用了四千多名工人，高空施工牺牲98人，并造成了数百名人员伤残。

图3 英国福斯悬臂桁架桥

20世纪初，预应力混凝土研制成功，开始了预应力混凝土桥梁结构的时代，结构开始向大跨度结构发展。30年代起世界上掀起了建设大跨悬索桥的高峰，50年代斜拉桥结构得以初现光芒并很快波及世界桥梁工程界。60年代日本、丹麦开辟了兴建跨海工程的先河。80年代初，我国迎来了改革开放的新时期，加快了基础建设的步伐。特别是近十年，我国建成了代表当今世界桥梁最高发展水平的一大批斜拉桥和悬索桥(见图4和图5)，从此确定了中国在世界桥梁工程界的地位。2008年我国建成的跨径1088m的苏通大桥是当今世界跨度最大的斜拉桥，创造了最大跨度、最深基础、最高桥塔、最长拉索四项世界之最;2009年建成的西堠门大桥主跨1650米，是目前世界上跨度第二的悬索桥，且是世界上最大跨度的钢箱梁悬索桥。

步入新世纪，以碳纤维为代表的高级复合材料、光纤传感技术、智能化施工等新技术正逐步渗透到桥梁工程领域之中，各种组合结构、轻型结构异军突起。

从桥梁发展的历史过程可以看出，桥梁从3000年前发展到今天，始终与新材料和新技术的发展息息相关。目前，桥梁工程学科已发展成为融理论分析、设计、施工控制及管理于一体的系统性学科。由于科技的进步，一些相关的学科也渗透到桥梁工程领域中，发展了新的分支学科，如桥梁抗风、抗震、桥梁CAD、桥梁的施工控制以及桥梁检测技术等等。此外，桥梁学科与建筑、艺术、材料、电气化等学科的交叉发展也愈来愈多。

图4 苏通大桥

图5 润扬长江大桥

2 桥梁学科的前沿问题

2.1 跨海大桥的建设

图6 美国金门大桥

跨海大桥是桥梁工程中最具有挑战性的工程［4］。跨海大桥往往跨度大，自身结构受力性能复杂，同时复杂的自然环境给施工带来许多限制和难题。但跨海大桥的修建对于改善桥两端地区的交通状况具有极其重要的战略意义，同时能够极大地带动附近区域的经济发展，因此不少国家从上世纪六十年代开始陆续修建跨海大桥，以便将本国的领土乃至世界五大洲连接起来，形成一个世界范围内的交通网。其中，以美国1937年建成的金门大桥(见图6)和日本1998年建成的日本明石海峡桥(见图7)最为著名。

图7 日本明石海峡桥

尽管目前桥梁建造技术有了极大地发展，但是在跨海大桥的建设中，仍存在如何确定最佳桥位、突破现有的测量手段、抵抗海水侵蚀提高耐久性、深水基础的施工以及海上施工机械的研发等大量尚待解决的问题［5］。

2.2 桥梁动力学问题的研究

桥梁动力学问题主要包括桥梁抗风、桥梁抗震和车振效应这三个方面，这三个方面的研究目前都很活跃，处在学科研究的前沿［6］。

人们对桥梁抗风问题的研究始于1940年美国华盛顿州新建的塔科马桥(Tacoma)毁于暴风，至此人们才发现风振对大跨度桥梁的影响，掀开了有关桥梁抗风理论研究的序幕。多年来，关于桥梁对风致振动响应的分类，已经取得较为一致的认识，目前的研究主要集中在动力失稳(主要是颤振)和紊流响应(抖振)方面。

桥梁抗震领域，如何寻求有效的手段来抵抗地震对桥梁的破坏，是目前研究的主要方向。目前结构设计的方法正从传统的强度理论向延性抗震理论过渡，以期能解决地震中常出现的落梁、基础破坏等现象。自上世纪60年代起，隔震、减震方面的研究日趋活跃，减隔震装置的研究也成为研究的热点［7］。

列车在通过桥梁时将引起桥梁结构的振动，而桥梁的振动又反过来会影响车辆的振动，这种相互作用、相互影响的问题就是车辆与桥梁之间振动耦合的问题。同时，轨道不平顺也影响到车-桥的振动，形成列车-轨道-桥梁的大系统动力相互作用问题。一百多年来关于列车—桥梁振动的研究表明了车桥振动这一问题的复杂性与困难性。尤其目前我国正在进行高速铁路的大规模建设，高速铁路列车时速高达350km/h，它引起桥梁振动的主要因素和振动机理与中低速情况有很大差别，因此，桥梁设计除采用静态计算外，还须进行车-线-桥耦合振动分析，以保证在高速行车下司机和旅客的安全性和舒适性［8］。

2.3 旧桥的加固

桥梁设计有设计基准期，也就是说所有的桥梁都有一定的寿命，因此桥梁的维修、养护和加固是桥梁学科里不可或缺的一部分。

既有桥梁维修加固的核心问题是对现有桥梁的力学性能的评估。其研究内容包括对桥梁剩余寿命的评估、对桥梁损伤程度的评估、对桥梁承载能力的评估和加固方法的确定。

2.4 桥梁的智能化施工

为了确保桥梁在施工过程中结构受力和变形始终处于安全范围，且成桥后桥梁的线形及受力状态符合设计要求，在桥梁施工过程中必须进行严格的施工控制。目前世界桥梁正在向更大的跨度挑战，为了确保这些巨型结构的安全，研究开发一种智能化的施工控制系统有着极其重要的社会意义和良好的市场前景。目前国内外许多研究机构都在进行该技术的研究，主要内容包括数据高速采集系统、数据双向传输系统、智能参数识别系统与计算分析与决策控制系统等方面，以实现桥梁施工控制的高精度、高智能与高效率。

3 桥梁工程学科发展前瞻

本世纪以来桥梁工程已发展成系统性的工程学科，主体框架已构筑完毕，但远未完善。可以预见，未来的世纪，这些分支将得以独立发展并逐渐成熟，同时也会相互渗透。

随着计算机微处理器技术的迅猛发展，桥梁工程将面临新的发展机遇。集结构分析、工程制图、工程数据库及专家系统的桥梁CAD软件将有可能问世，我们将迈入桥梁设计的网络时代。

桥梁智能化控制技术将进一步发展。GPS(Global Positioning System)技术和智能化施工技将应用于桥梁的勘测和施工，实现从数据采集、数据传输到控制决策的即时化与智能化。在使用阶段，可以通过自动监测和管理系统来保证桥梁的安全和正常运行［9］。

桥梁抗风领域，大跨度桥梁风致振动控制技术将成为研究的热点，试验仍将以风洞为依托。随着计算机技术的不断更新进步，数值风洞技术可望有突破。

延性抗震将成为桥梁抗震的新理念，粘滞阻尼器、铅芯橡胶支座将广泛应用于结构抗震中，抗震将作为一种设计理念融合在桥梁的设计当中。

光纤传感技术的发展将给桥梁健康监测与检测注入了新的活力，此外，无损检测、FRP等桥梁修复新工艺和新材料也将得到广泛的应用。对于日渐拥挤的现代城市，既有桥梁的加固既能确保城市交通的安全通顺畅行，又能节省社会资金，作用日益突出。旧桥加固检测技术的开发应用将成为下一世纪桥梁工程领域的另一道风景线。

桥梁的设计更加注重景观设计。桥梁等大型工程建设既要重视质量又要重视景观和环境保护，优秀的桥梁设计不但要满足交通功能的要求，而且要与周围的环境相协调，并能体现所在城市的特色，代表其特有的文化，和整个城市融为一体，成为一道独具特色的建筑“艺术品”［10］(见图8)。1932年建成的悉尼海湾大桥(见图8)就是桥梁与城市融合的最佳典范，它已经成为悉尼的标志和象征。

随着人类对地球生态平衡、自然环境及资源的日益重视，关注桥梁的耐久性能，节约资源，利用再生资源和绿色资源，走可持续发展的道路是未来桥梁工程发展的必然。

图8 澳大利亚海湾大桥

4 我国桥梁建设与国际先进水平的差距

桥梁建设代表了一个国家科学技术水平及综合国力。从古至今桥梁的建设水平都是衡量人类利用自然、战胜自然重要标志，毫无例外，哪里的桥梁建设科学和水平越发达，那里的文化及文明程度就越优越，经济就越发达。

虽然近年来我国的桥梁建设突飞猛进，修建了一大批代表世界先进水平的大桥，但桥梁的理论研究和综合实力与世界先进水平相比还有差距，真正属于自己的知识产权的东西还不多，在桥梁的品质、使用性能、后期维修养护与管理等方面也与国外桥梁建设先进水平之间有一定的差距［11］。

第一，我国在科研方面的投入太少，以致桥梁设计、施工方面的规范更新很慢，不能及时反应并解决当前遇到的问题，不能很好地指导设计和施工。

第二，工程材料相对落后。我们现在使用的桥梁建材与国外发达国家桥梁建材相比强度低、性能差。我国是钢材生产大国，钢产量为世界第一，但我们现在普遍使用的还是Q345钢，而日本、美国等早已广泛采用高强度钢和耐候钢了。同样我国也是水泥生产大国，但大多结构仍采用C50标号以下的混凝土，高性能混凝土的研究开发和使用还很少。由于材料的限制，目前国外最新设计的桥梁结构看上去都很轻灵纤细，我们的桥梁结构则显得笨拙。

第三，缺乏先进机械设备。机械设备的落后在一定程度上制约了施工能力，不仅许多好的设计方案因施工能力达不到而无法实现，施工的质量也远不及发达国家，施工的安全得不到足够的保障。

第四，自主创新设计能力不强。虽然国内也修建了一批大跨度高难度的斜拉桥和悬索桥，但是这些大跨桥梁的计算理论、施工方法、总体方案及构造细节，大多是采用或参考、模仿国外先进桥梁。在大跨斜拉桥和悬索桥中，几乎所有的重大技术进步，都是国外最先提出并采用的。我们在桥梁造型、设计理念、仿真计算、材料研发及施工工艺方面的创新能力亟待加强。

第五，桥梁安全性与耐久性问题突出。目前我国修建的一些桥梁过早地进入了“老年阶段”，有些桥梁远未达到设计使用年限即已成为危桥，安全性存在隐患。这是由于我国桥梁设计和施工的时间过短，而且养护维修系统不健全造成的。过分地追求建设速度，会使桥梁设计、施工水平大打折扣;不重视桥梁的日常养护和维修，将使桥梁过早地出现病害，影响交通运行且造成资金和资源的巨大浪费。

第六，桥梁美学及环境保护重视不够。长期来中国的桥梁建设追求高速度和实用主义，对于桥梁景观方面的设计考虑较少，起步比较晚，技术也比较薄弱。近年来，桥梁景观的重要性日益凸显，景观设计往往成为决定工程是否中标的关键因素。

5 结语

回顾桥梁工程的发展历程，我们为祖国在桥梁建设中的进步和成就而骄傲，同时作为新世纪的桥梁工作者，我们更应该清醒地认识到我国的桥梁学科体系尚待充实与完善，我国的桥梁建设水平还需要加大科学研究与技术创新。

现代桥梁工程的价值源于创新精神。材料的创新可以推动桥梁结构形式的发展，施工设备的升级换代关系到施工水平和技术。我们要克服因循守旧，不思进取的风气，敢于质疑传统，在结构形式、施工方法、设计理念和设计方法上创新，把寻找更好、更新、更经济和更合理的方案作为自己的目标［12］。

建造伟大的桥梁充满挑战性。建造优美的桥梁是展现最新科技的最佳场所，也充满了与自然环境斗争及与人类自己斗争的艰辛，这就需要我们一代又一代的桥梁工作者前仆后继，不懈努力。

桥梁是既有利于当代又惠及后人的造福工程，我们要加强安全、适用、经济、美观、节约的设计理念，成为自然环境的保护者和节约资源和能源的倡导者，为祖国的桥梁事业向着更加良性的趋势发展贡献自己的智慧和力量!

［1］项海帆.世界桥梁工程的回顾和发展［J］.科学，1998，49(3):10-13.

［2］蒋洋.对中外桥梁工程发展历程的回顾与展望［J］.淮阴工学院学报，2002，11(1):64-66.

［3］方明山.20世纪桥梁工程发展历程回顾及展望［J］.桥梁建设，1999(1):58-60.

［4］金建洲，李宏辉，褚文忠.桥梁学科前沿问题的研究进展［J］.平顶山工学院学报，2003，12(1):57-60.

［5］汪铁钧.跨海大桥混凝土连续箱梁桥关键施工技术的研究［D］.上海:同济大学，2006.

［6］李国豪.桥梁结构振动与稳定［M］.北京:中国铁道出版社，1996.

［7］范立础.桥梁抗震［M］.上海:同济大学出版社，1997.

［8］陈志军.高速铁路桥梁动力学问题分析及控制策略研究［D］.武汉:华中科技大学，2006.

［9］袁帅华，肖汝诚.基于网络的桥梁智能化施工控制系统研究［J］.同济大学学报:自然科学版，2007，35(6):734-738.

［10］朱曲平，曾德荣，王雷，等.桥梁美学设计及其进展［J］.公路交通技术，2006(4):75-78.

［11］韩大章，华新.我国大跨桥梁建设成就及与世界先进水平的差距［J］.现代交通技术，2005(4):1-4.

［12］项海帆.21世纪世界桥梁工程的展望［J］.土木工程学报，2000，33(3):1-6.