韓松

橋梁，一般指架設(shè)在江河湖海上，使車輛行人等能順利通行的構(gòu)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(yùn)輸工具或行人在橋上暢通無(wú)阻。從最初的功能來(lái)說(shuō)，橋梁專指跨水行空的道路?！墩f(shuō)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(shuō)明橋的最初含意是指架木于水面上形成的通道；古語(yǔ)中也用“逢山開(kāi)路，遇水架橋”來(lái)形容即使遇到艱難險(xiǎn)阻，也依然努力向前的精神。由此可見(jiàn)，橋梁是人類建造的用來(lái)跨越自然地形的土木工程結(jié)構(gòu)。

話說(shuō)中國(guó)橋梁

中國(guó)山川眾多、江河縱橫，所以自古以來(lái)中國(guó)就是橋梁大國(guó)，從古至今，無(wú)論是建橋技術(shù)，還是橋梁數(shù)量，都處于世界領(lǐng)先地位。中國(guó)既保留著趙州橋、盧溝橋、廣濟(jì)橋這樣歷史悠久的古代橋梁，也有長(zhǎng)度世界第一的丹昆特大橋（全長(zhǎng)164.85千米）、世界最高的公路鐵路兩用橋梁—滬通長(zhǎng)江大橋（正在建設(shè)中）、世界上跨徑最大的鋼拱橋—重慶朝天門大橋（主跨長(zhǎng)552米）等世界著名的現(xiàn)代化橋梁。尤其在高速公路和高速鐵路快速建設(shè)的今天，中國(guó)橋梁數(shù)量更是飛速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)公路橋梁總數(shù)已經(jīng)超過(guò)了80萬(wàn)座，鐵路橋梁數(shù)超過(guò)20萬(wàn)座，是世界上橋梁最多的國(guó)家。

力學(xué)與材料學(xué)對(duì)橋梁技術(shù)的推動(dòng)

從發(fā)展歷史來(lái)看，橋梁可以分為古代、近代和現(xiàn)代橋梁三類。隨著人們對(duì)工程技術(shù)的不斷鉆研，橋梁從材料選取到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、從建設(shè)施工到通行能力，都有了質(zhì)的飛躍。

古代橋梁

人類從什么時(shí)候開(kāi)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(shù)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(shuō)，材料的發(fā)展嚴(yán)重制約了古代橋梁技術(shù)的進(jìn)步。另一方面，力學(xué)基礎(chǔ)理論的缺乏也制約著橋梁的設(shè)計(jì)和建設(shè)。盡管經(jīng)典力學(xué)在18世紀(jì)左右已經(jīng)發(fā)展地較為完善，但力系的簡(jiǎn)化和平衡的系統(tǒng)理論，即靜力學(xué)體系的建立，是潘索于1803年在《靜力學(xué)原理》中才完成的。在此之前，結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)這兩大力學(xué)基礎(chǔ)分支尚未出現(xiàn)，人們無(wú)法使用力學(xué)原理來(lái)分析橋梁的承載能力，更無(wú)法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。幾乎所有橋梁的設(shè)計(jì)都來(lái)自生活經(jīng)驗(yàn)（如拱橋和梁橋），并采用最簡(jiǎn)單的搭接和架設(shè)方式，無(wú)法形成大的跨徑，也難以設(shè)計(jì)合理的拱形。

盡管如此，古代橋梁結(jié)構(gòu)的工程探索依然出現(xiàn)了技術(shù)進(jìn)步的萌芽。比如，羅馬時(shí)代出現(xiàn)了橋梁基礎(chǔ)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(chǔ)和橋墩；中國(guó)在11世紀(jì)初修建的洛陽(yáng)橋，建設(shè)過(guò)程初期首先在橋址江中遍拋石塊，其上養(yǎng)殖牡蠣兩三年后膠固形成筏形基礎(chǔ)，這體現(xiàn)了中國(guó)古代勞動(dòng)人民的智慧。

總的來(lái)說(shuō)，在18世紀(jì)以前的橋梁，材料基本以木材和石材為主，嚴(yán)重制約著橋梁技術(shù)的進(jìn)步。工程技術(shù)和設(shè)計(jì)理論尚處于萌芽階段。

近代橋梁

隨著18世紀(jì)前后鋼鐵和水泥的出現(xiàn)，材料的發(fā)展和工程技術(shù)的進(jìn)步為橋梁技術(shù)注入了新的活力，這一時(shí)期的橋梁我們稱為近代橋梁。

世界上第一座鑄鐵橋是英國(guó)科爾布魯克代爾廠于1779年所造的塞文河橋，該橋?yàn)榘雸A拱，由五片拱肋組成，跨徑30.7米。中國(guó)于1705年修建了四川大渡河瀘定鐵鏈吊橋，橋長(zhǎng)100米，寬2.8米，至今仍在使用。與此同時(shí)，橋梁設(shè)計(jì)理論也出現(xiàn)了飛躍式的發(fā)展。力學(xué)與材料學(xué)的快速發(fā)展，使得相關(guān)基礎(chǔ)理論被運(yùn)用到橋梁設(shè)計(jì)中，并逐漸成為橋梁技術(shù)發(fā)展的核心推動(dòng)力?？梢哉f(shuō)，現(xiàn)代橋梁技術(shù)大多是建立在力學(xué)和材料學(xué)相關(guān)理論快速發(fā)展的基礎(chǔ)上的。

19世紀(jì)中葉，力學(xué)領(lǐng)域的科研人員相繼建立起橋梁的力學(xué)基礎(chǔ)理論和結(jié)構(gòu)分析理論，推動(dòng)了桁架橋的發(fā)展，促使橋梁設(shè)計(jì)中出現(xiàn)多種形式的桁梁。根據(jù)桁架結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)特點(diǎn)，其剛度顯著強(qiáng)于吊橋，這樣的特點(diǎn)使得桁架橋設(shè)計(jì)大量應(yīng)用于鐵路橋梁。在19世紀(jì)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(shè)計(jì)中的力學(xué)原理除了以承載力為代表的靜力作用之外，動(dòng)力作用相關(guān)的力學(xué)原理也逐漸成為研究人員關(guān)注的重要內(nèi)容。1879年12月，剛剛建成18個(gè)月的陽(yáng)斯的泰灣鐵路鍛鐵橋被大風(fēng)吹倒，這一事故推動(dòng)了橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)的研究和發(fā)展，之后的橋梁都會(huì)采用抗風(fēng)構(gòu)或加勁梁的設(shè)計(jì)。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(lái)減弱震動(dòng)；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(jì)中期還出現(xiàn)了根據(jù)力學(xué)設(shè)計(jì)的懸臂梁結(jié)構(gòu)。英國(guó)人根據(jù)中國(guó)西藏木懸臂橋式，提出錨跨、懸臂和懸跨三部分的組合設(shè)想，于1882—1890年在英國(guó)愛(ài)丁堡福斯河口建造了鐵路懸臂梁橋。這座橋共有6個(gè)懸臂，懸臂長(zhǎng)為206米，懸跨長(zhǎng)為107米，主跨長(zhǎng)為519米。20紀(jì)初期，懸臂梁橋曾風(fēng)行一時(shí)。到了19世紀(jì)末，力學(xué)理論又有新的進(jìn)展，彈性拱理論已逐步完善，促進(jìn)了20世紀(jì)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?？梢哉f(shuō)，這一時(shí)期力學(xué)理論的進(jìn)步引領(lǐng)了橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本方向。

另一方面，材料基礎(chǔ)理論的進(jìn)步也積極推動(dòng)著橋梁工程進(jìn)入新時(shí)代。比如，鋼筋混凝土橋梁的出現(xiàn)，從材料學(xué)研究的角度講，已經(jīng)初步具備了現(xiàn)代橋梁的雛形。鋼材與混凝土的協(xié)同工作，從土木工程材料學(xué)的角度來(lái)看，無(wú)異于一次技術(shù)革命。兩種材料在單獨(dú)使用的時(shí)候都有其顯著的劣勢(shì)：鋼材抗拉性能優(yōu)異，具有足夠的韌性，但抗壓穩(wěn)定性差，單獨(dú)使用容易出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象；混凝土材料抗壓性能優(yōu)異，但屬于脆性材料，抗拉性能差，使用中容易出現(xiàn)受拉或受彎開(kāi)裂。鋼筋混凝土是將鋼筋埋入混凝土中受拉區(qū)的部分，讓兩者協(xié)同工作共同受力。受力過(guò)程中鋼筋抵抗拉力，混凝土抵抗壓力，協(xié)同工作，使得結(jié)構(gòu)的承載能力大幅提高。因此，1900年之后的二三十年間，出現(xiàn)了大量的鋼筋混凝土拱橋和梁橋。

現(xiàn)代橋梁

隨著預(yù)應(yīng)力混凝土和高強(qiáng)度鋼材在20世紀(jì)30年代登上歷史舞臺(tái)，材料理論與力學(xué)理論協(xié)同發(fā)展，在橋梁技術(shù)的進(jìn)步中占據(jù)了主導(dǎo)地位。以預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土技術(shù)為標(biāo)志，橋梁結(jié)構(gòu)從近代橋梁發(fā)展到現(xiàn)代橋梁。

法國(guó)弗雷西內(nèi)工程師在1928年提出了用高強(qiáng)鋼絲和混凝土制成預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土，克服了鋼筋混凝土易產(chǎn)生裂紋的缺點(diǎn)，使橋梁結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)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(jìn)行建設(shè)。隨著高強(qiáng)鋼筋和高強(qiáng)混凝土的不斷發(fā)展，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋的結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，跨度不斷提高，也逐漸出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方法。

隨著工程對(duì)橋梁跨徑要求的不斷提高，斜拉橋和懸索橋逐漸成為長(zhǎng)大橋梁的主要形式。斜拉橋和懸索橋都是使用預(yù)應(yīng)力鋼絲索作為懸索，并同加勁梁構(gòu)成自錨式體系，通過(guò)鋼索將橋梁的力傳遞到主塔來(lái)承重；不同的是，斜拉橋是通過(guò)斜拉索直接將橋面的力傳遞至橋塔，而懸索橋是通過(guò)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(shè)計(jì)形式為橋梁結(jié)構(gòu)提供了更大的跨越長(zhǎng)度。

像梅勒爾貝克橋和瑪麗亞凱克橋是預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土懸索橋，馬拉開(kāi)波湖橋是典型的斜拉橋結(jié)構(gòu)；瓦迪庫(kù)夫橋、帕斯科-肯納威克橋、布羅東納橋都是典型的預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。中國(guó)現(xiàn)有的著名長(zhǎng)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(guó)自行設(shè)計(jì)、施工、建造的特大跨海大橋，大橋全長(zhǎng)36.48千米，主跨為懸索結(jié)構(gòu)，曾經(jīng)是世界上最長(zhǎng)的跨海大橋，現(xiàn)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(zhǎng)為49.968千米，主跨為雙塔式斜拉結(jié)構(gòu)；正在建設(shè)中的滬通大橋有世界最高公鐵兩用斜拉橋主塔，正橋?yàn)閮伤蹇缧崩瓨?，大橋主塔?25米，采用鉆石型混凝土結(jié)構(gòu)，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(lái)看，橋梁工程依然長(zhǎng)期處于蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)，橋梁技術(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)理論研究工作也在如火如荼進(jìn)行中，越來(lái)越多的工程難點(diǎn)和理論問(wèn)題成為研究熱點(diǎn)，例如橋梁結(jié)構(gòu)在服役環(huán)境中往往同時(shí)經(jīng)歷多種動(dòng)力學(xué)作用，包括風(fēng)荷載、車輛荷載、行人荷載、下部行船、橋梁自振等。多種動(dòng)力荷載的耦合作用可能引發(fā)難以掌握的動(dòng)力響應(yīng)和振動(dòng)，使得橋梁經(jīng)受風(fēng)-車-船-橋耦合振動(dòng)作用，這一作用對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響就是非常典型的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。力學(xué)和材料學(xué)方面研究工作的新進(jìn)展都會(huì)給橋梁技術(shù)注入新鮮血液，大量新工藝、新材料、新設(shè)備被運(yùn)用到橋梁工程建設(shè)中，推動(dòng)橋梁工程的基礎(chǔ)理論、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程建設(shè)水平不斷進(jìn)步。