力学与材料学推动下的桥梁发展

韩松

桥梁，一般指架设在江河湖海上，使车辆行人等能顺利通行的构筑物。桥梁最主要的目的，就是为了解决跨水或者越谷的交通，以便于运输工具或行人在桥上畅通无阻。从最初的功能来说，桥梁专指跨水行空的道路。《说文解字》段玉裁注中即有“梁之字，用木跨水，今之桥也”的解释，说明桥的最初含意是指架木于水面上形成的通道；古语中也用“逢山开路，遇水架桥”来形容即使遇到艰难险阻，也依然努力向前的精神。由此可见，桥梁是人类建造的用来跨越自然地形的土木工程结构。

话说中国桥梁

中国山川众多、江河纵横，所以自古以来中国就是桥梁大国，从古至今，无论是建桥技术，还是桥梁数量，都处于世界领先地位。中国既保留着赵州桥、卢沟桥、广济桥这样历史悠久的古代桥梁，也有长度世界第一的丹昆特大桥（全长164.85千米）、世界最高的公路铁路两用桥梁—沪通长江大桥（正在建设中）、世界上跨径最大的钢拱桥—重庆朝天门大桥（主跨长552米）等世界著名的现代化桥梁。尤其在高速公路和高速铁路快速建设的今天，中国桥梁数量更是飞速发展。据统计，中国公路桥梁总数已经超过了80万座，铁路桥梁数超过20万座，是世界上桥梁最多的国家。

力学与材料学对桥梁技术的推动

从发展历史来看，桥梁可以分为古代、近代和现代桥梁三类。随着人们对工程技术的不断钻研，桥梁从材料选取到结构设计、从建设施工到通行能力，都有了质的飞跃。

古代桥梁

人类从什么时候开始有目的地伐木为桥或架石为桥已难以考证。从历史上看，木材和石材在数千年间都是人类建造桥梁的主要材料。但两种材料却都有先天的不足，可以说，材料的发展严重制约了古代桥梁技术的进步。另一方面，力学基础理论的缺乏也制约着桥梁的设计和建设。尽管经典力学在18世纪左右已经发展地较为完善，但力系的简化和平衡的系统理论，即静力学体系的建立，是潘索于1803年在《静力学原理》中才完成的。在此之前，结构力学和材料力学这两大力学基础分支尚未出现，人们无法使用力学原理来分析桥梁的承载能力，更无法进行结构设计。几乎所有桥梁的设计都来自生活经验（如拱桥和梁桥），并采用最简单的搭接和架设方式，无法形成大的跨径，也难以设计合理的拱形。

尽管如此，古代桥梁结构的工程探索依然出现了技术进步的萌芽。比如，罗马时代出现了桥梁基础的围堰施工方法，即打木板桩成围堰，抽水后在其中修筑桥梁基础和桥墩；中国在11世纪初修建的洛阳桥，建设过程初期首先在桥址江中遍抛石块，其上养殖牡蛎两三年后胶固形成筏形基础，这体现了中国古代劳动人民的智慧。

总的来说，在18世纪以前的桥梁，材料基本以木材和石材为主，严重制约着桥梁技术的进步。工程技术和设计理论尚处于萌芽阶段。

近代桥梁

随着18世纪前后钢铁和水泥的出现，材料的发展和工程技术的进步为桥梁技术注入了新的活力，这一时期的桥梁我们称为近代桥梁。

世界上第一座铸铁桥是英国科尔布鲁克代尔厂于1779年所造的塞文河桥，该桥为半圆拱，由五片拱肋组成，跨径30.7米。中国于1705年修建了四川大渡河泸定铁链吊桥，桥长100米，宽2.8米，至今仍在使用。与此同时，桥梁设计理论也出现了飞跃式的发展。力学与材料学的快速发展，使得相关基础理论被运用到桥梁设计中，并逐渐成为桥梁技术发展的核心推动力。可以说，现代桥梁技术大多是建立在力学和材料学相关理论快速发展的基础上的。

19世纪中叶，力学领域的科研人员相继建立起桥梁的力学基础理论和结构分析理论，推动了桁架桥的发展，促使桥梁设计中出现多種形式的桁梁。根据桁架结构的基本力学特点，其刚度显著强于吊桥，这样的特点使得桁架桥设计大量应用于铁路桥梁。在19世纪中叶，跨径大于60～70米的公路桥都采用锻铁链吊桥，而铁路桥基本都采用桁架桥的形式。

桥梁设计中的力学原理除了以承载力为代表的静力作用之外，动力作用相关的力学原理也逐渐成为研究人员关注的重要内容。1879年12月，刚刚建成18个月的阳斯的泰湾铁路锻铁桥被大风吹倒，这一事故推动了桥梁抗风设计的研究和发展，之后的桥梁都会采用抗风构或加劲梁的设计。如尼亚加拉瀑布公路铁路两用桥采用了锻铁索和加劲梁；纽约布鲁克林吊桥采用了加劲桁架来减弱震动；旧金山金门桥和奥克兰海湾桥也都是采用加劲梁的吊桥。

19世纪中期还出现了根据力学设计的悬臂梁结构。英国人根据中国西藏木悬臂桥式，提出锚跨、悬臂和悬跨三部分的组合设想，于1882—1890年在英国爱丁堡福斯河口建造了铁路悬臂梁桥。这座桥共有6个悬臂，悬臂长为206米，悬跨长为107米，主跨长为519米。20纪初期，悬臂梁桥曾风行一时。到了19世纪末，力学理论又有新的进展，弹性拱理论已逐步完善，促进了20世纪20—30年代修建较大跨的钢拱桥。如贝永桥（跨径504米）、悉尼港桥（跨径503米）、岳门桥（跨径305米），这三座桥均为双铰钢桁拱。可以说，这一时期力学理论的进步引领了桥梁结构设计的基本方向。

另一方面，材料基础理论的进步也积极推动着桥梁工程进入新时代。比如，钢筋混凝土桥梁的出现，从材料学研究的角度讲，已经初步具备了现代桥梁的雏形。钢材与混凝土的协同工作，从土木工程材料学的角度来看，无异于一次技术革命。两种材料在单独使用的时候都有其显著的劣势：钢材抗拉性能优异，具有足够的韧性，但抗压稳定性差，单独使用容易出现屈曲失稳现象；混凝土材料抗压性能优异，但属于脆性材料，抗拉性能差，使用中容易出现受拉或受弯开裂。钢筋混凝土是将钢筋埋入混凝土中受拉区的部分，让两者协同工作共同受力。受力过程中钢筋抵抗拉力，混凝土抵抗压力，协同工作，使得结构的承载能力大幅提高。因此，1900年之后的二三十年间，出现了大量的钢筋混凝土拱桥和梁桥。

现代桥梁

随着预应力混凝土和高强度钢材在20世纪30年代登上历史舞台，材料理论与力学理论协同发展，在桥梁技术的进步中占据了主导地位。以预应力钢筋混凝土技术为标志，桥梁结构从近代桥梁发展到现代桥梁。

法国弗雷西内工程师在1928年提出了用高强钢丝和混凝土制成预应力钢筋混凝土，克服了钢筋混凝土易产生裂纹的缺点，使桥梁结构能够进一步提高承载力、控制变形，也使桥梁可以用悬臂安装法、顶推法等新的施工方法进行建设。随着高强钢筋和高强混凝土的不断发展，预应力钢筋混凝土桥的结构不断改进，跨度不断提高，也逐渐出现标准化的结构设计和施工方法。

随着工程对桥梁跨径要求的不断提高，斜拉桥和悬索桥逐渐成为长大桥梁的主要形式。斜拉桥和悬索桥都是使用预应力钢丝索作为悬索，并同加劲梁构成自锚式体系，通过钢索将桥梁的力传递到主塔来承重；不同的是，斜拉桥是通过斜拉索直接将桥面的力传递至桥塔，而悬索桥是通过拉索垂直传递到主索，再由主索将力传递至桥塔。斜拉桥和悬索桥的设计形式为桥梁结构提供了更大的跨越长度。

像梅勒尔贝克桥和玛丽亚凯克桥是预应力钢筋混凝土悬索桥，马拉开波湖桥是典型的斜拉桥结构；瓦迪库夫桥、帕斯科-肯納威克桥、布罗东纳桥都是典型的预应力混凝土斜拉桥。中国现有的著名长大桥梁也多为斜拉桥或悬索桥。如青岛海湾大桥，也被称为胶州湾跨海大桥，是中国自行设计、施工、建造的特大跨海大桥，大桥全长36.48千米，主跨为悬索结构，曾经是世界上最长的跨海大桥，现在则被刚刚通车的港珠澳大桥所取代；港珠澳大桥于2018年5月13日正式通车，主体工程全长为49.968千米，主跨为双塔式斜拉结构；正在建设中的沪通大桥有世界最高公铁两用斜拉桥主塔，正桥为两塔五跨斜拉桥，大桥主塔高325米，采用钻石型混凝土结构，约100层楼房高，大桥主跨1092米，建成后将是世界上首座跨度超千米的公铁两用斜拉桥。

目前，从全世界范围来看，桥梁工程依然长期处于蓬勃发展的态势，桥梁技术相关的基础理论研究工作也在如火如荼进行中，越来越多的工程难点和理论问题成为研究热点，例如桥梁结构在服役环境中往往同时经历多种动力学作用，包括风荷载、车辆荷载、行人荷载、下部行船、桥梁自振等。多种动力荷载的耦合作用可能引发难以掌握的动力响应和振动，使得桥梁经受风-车-船-桥耦合振动作用，这一作用对桥梁结构的影响就是非常典型的复杂动力学问题。力学和材料学方面研究工作的新进展都会给桥梁技术注入新鲜血液，大量新工艺、新材料、新设备被运用到桥梁工程建设中，推动桥梁工程的基础理论、结构设计和工程建设水平不断进步。