世界桥梁工程发展格局演变
早在距今约三千年的
周文王时,我国就已在宽阔的渭河上架设过大型浮桥。后陆续涌现了一大批以石料、铁为建材的桥梁建筑,其中以
赵州桥(跨度37.02m,公元605年)、
大渡河铁索桥(跨度约100m,1803年)等为标志，体现了古代桥梁的伟大成就,也显示了
古代中国的强盛。
18世纪以后,欧洲率先进入工业社会,从根本上改变了200年西方文明的历史,促进了大规模的铁路桥梁建设。迄今,以英国不列颠尼亚箱梁桥(跨度141m,185年)、美国
布鲁克林悬索桥(跨度486m,1883年)及英国福斯悬臂桁架桥(跨度520m,1890年)为标志的桥梁建筑仍散发着西方工业文明的气息。
20世纪初期,西方工业社会获得空前发展,日趋发达。于30年代掀起了第1个大跨悬索桥建设高峰,以
美国纽约、华盛顿桥(跨度1067m,1931年)、
旧金山金门大桥(跨度1280m,1937年)为代表显示出其桥梁领域的垄断实力。
二战后,德国、日本再度堀起。50年代起,德国经济的复苏推动了德国桥梁工程的发展,
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。经过近20年的发展,我国经济突飞猛进,国力显著增强。同时,我国也加快了基础建设的
步伐,一大批桥梁如雨后春笋,层出不穷。特别是近十年来建成的代表当今世界桥梁最高发展水平的一大批斜拉桥、悬索桥(见表1,表2),更是确定了中国的世界地位。
当今,世界桥梁工程的格局如同国际政局的多极化局面,不再是美、英垄断的天下,呈现了以日、美、英、中、德、法及其他国家共同发展的新局面。展望下一世纪,崛起的中国定会有再现东方文明的辉煌时刻。
3 20世纪桥梁发展主要成就
3.1 学科发展
桥梁工程已被确认为一门独立的科学技术,不再是仅凭桥梁设计者们智慧和经验的创造过程。它已发展成
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入桥梁工程领域中,发展了新的分支学科,如桥梁抗风、抗震、桥梁CAD、桥梁的施工控制及桥梁检测技术等等。
3.2 建设规模及施工技术
3.2.1 跨径不断增大
目前,钢梁、钢拱的最大跨径已超过500m,钢斜拉桥为890m,而钢悬索桥达1990m。随着跨江跨海的需要,钢斜拉桥的跨径将突破1000m,钢悬索桥将超过3000m。至于混凝土桥,梁桥的最大跨径为270m,拱桥已达420m,斜拉桥为530m。
3.2.2 桥型不断丰富
20世纪50~60年代,桥梁技术经历了一次飞跃:混凝土梁桥悬臂平衡施工法、顶推法和拱桥无支架方法的出现,极大地提高了混凝土桥梁的竞争能力;斜拉桥的涌现和崛起,展示了丰富多彩的内容和极大的生命力;悬索桥采用钢箱加劲梁,技术上出现新的突破。所有这一切,使桥梁技术得到空前的发展。
3.2.3 结构不断轻型化
悬索桥采用钢箱加劲梁,斜拉桥在密索体系的基础上采用开口截面甚至是板,使梁的高跨比大大减少,非常轻颖;拱桥采用少箱甚至拱肋或桁架体系;梁桥采用长悬臂、板件减薄等,这些都使桥梁上部结构越来越轻型化。
3.2.4 桥梁墩台及基础技术不断发展
随着上部结构的迅猛发展,必然给下部结构提出更高的要求。自钢筋混凝土推广使用以来,桥梁墩台的结构形式趋于多样化。除了传统的重力墩台外,发展了空心墩、桩柱式墩台、构架式墩台、框架式墩台、双柱式墩、拼装墩台及预应力钢筋薄壁墩等新型墩台,并日趋轻型、柔性化。高墩技术也有较大发展。与此同时,桥梁基础也在发展。50年代以后,越江、跨海湾、海峡大桥的兴建以中国、日本为首大力发展了深水基础技术。如50年代在
武汉长江大桥中首创了管柱基础;60年代在
南京长江大桥中发展了重型沉井、深水钢筋混凝土沉井和钢沉井;70年代在九江长江大桥中创造了双壁钢围堰钻孔桩基础;80年代后进一步发展了复合基础。在日本,由于本四联络线工程的建设,近20年来,其深水基础技术发展很快,以
地下连续墙、设置沉井和无人沉箱技术最为突出。
3.3 设计风格
桥梁设计风格的转变主要表现为以下3个方面:(1)由于计算机的出现与发展,为桥梁设计师们提供了新的设计工具,并已逐步取代了手工制图。桥梁设计师们的创造力与想象力在电脑中得以充分展现。
(2)随着人类对地球生态平衡、自然环境及资源的日益重视,对桥梁工程提出了与周围环境相协调的要求
桥梁的设计更加注重景观设计。
(3)大跨度桥梁的发展,不仅要求对成桥状态进行设计,对施工阶段的设计也很重视,将施工方法与施工过程相结合已成为现代桥梁设计的一大特色。
4 桥梁工程发展探因
4.1材料革新
土木工程发展史表明,材料的每一次变革都会带来土木工程的巨大飞跃。桥梁工程因此获得了一次又一次的发展机遇。公元前5世纪至公元前3世纪,砖出现于中国,实现了土木工程的第1次飞跃,开始了砖、木结构的桥梁时代。19世纪波特兰水泥、现代钢材在欧洲的出现,实现了土木工程的第2次飞跃,桥梁工程获得了空前
大发展,桥梁结构形式及规模有了突破。20世纪初叶,预应力混凝土的出现,实现了土木工程的第3次飞跃,开
始了混凝土桥梁结构的时代。20世纪70年代开始,出现了以
碳纤维为代表的高级复合材料,首先被用于航空、
航天等高科技领域,现正逐步渗透到桥梁工程领域之中。
4.2 电子计算机技术
当今的各种高新技术革命中,以计算机技术革命最为耀眼。自本世纪70年代第1台微型计算机的诞生,开辟了计算机新时代,从根本上改变了结构工程分析的历史,一门新的学科———计算结构力学得以产生,有限元法
就此成为分析复杂桥梁结构形式的主要方法。随着计算机技术的不断进步,促成了以计算机为辅助设计的桥梁CAD技术分支学科的形成。
4.3 预应力思想
预应力思想被喻为本世纪中最为革命的结构思想,它源于1910年法国工程师金.弗来西奈设计建造的足尺试验拱桥(跨度72.5m)中。此后的数十年里被推广到混凝土结构中,形成了一整套预应力混凝土技术。在桥梁工程的建设中,发挥出重大作用,创造了巨大的经济与
社会效益,其应用已遍及各种桥梁结构形式,不仅带动了中小跨度桥梁的迅猛发展,也促成了大跨度桥梁的进步。
尤其在斜拉桥中,这种思想的发挥达到了顶点。此外,它也被用于桥梁工程的施工过程之中,衍生出许多新的施
工方法和工艺;而在旧桥加固领域里,也显示出很强的竞争力。当今由于预应力思想的结合,使得预应力混凝土
已成为本世纪最主要的桥梁材料。
4.4 自架设体系思想
在本世纪桥梁工程的发展历程中,预应力思想促进了桥梁结构形式的变革,而自架设体系思想带来了大跨度桥梁施工技术的变革,两种思想交相辉映。自架设体系思想是通过将结构离散成若干小的单元或构件,以便于预制或现浇,然后按特定的施工步骤进行拼装或浇注,已完成的结构部分就可以作为支撑体系参与下一阶段的
施工,直到全部结构的完成。它体现了“化整为零、集零为整”的特点。这种思想在大跨度悬索桥、斜拉桥、拱桥及连续梁桥等桥型的施工中得到灵活应用。在施工过程中,由于存在着体系转化及受几何非线性、材料非线性因素的影响,施工期间结构的受力状态比成桥状态更为不利,于是提出了对施工阶段进行控制设计的要求。几经发展,施工控制技术已逐步成为一门新兴的桥梁工程分支学科。
4.5 桥梁设计竞赛机制
桥梁设计竞赛的传统在19世纪末就已在瑞士盛行,促进了当时瑞士桥梁工程的发展。两位世界级的桥梁设计师罗伯特.马亚尔(1872-1940)和奥斯玛.安曼(1879-1966)就深得这种传统的熏陶,前者曾创造出轻盈的薄
混凝土拱桥,而后者设计了乔治.华盛顿桥、维拉扎诺悬索桥。随后在国外的许多大型跨海工程中都广泛地实行了竞赛制,如丹麦的大贝尔特工程,由于政治原因设计竞赛持续了25年之久,期间许多新的设计构思层出不穷,积累了丰富的桥梁结构设计经验。因而设计竞赛的实行一定程序上推动了桥梁工程事业的发展。4.6施工管理体制桥梁工程的建设过程实际上也是施工组织活动的过程。18世纪,欧洲兴起花型建筑的热潮,开始出现设计与施工的分离。后来在英国进一步发展成了工程建设监理体制。1956年由国际咨询工程师联合(FIDIC)和欧洲建筑工程联合会(FIEC)共同发起对英国土木工程师学会(ICE)制定的合同条款进行修改,颁布“FIDIC”合同条件,后经历了1969、1977、1987年的3次改版。几十年来它已被世界各国土木工程界广泛接受和借鉴,给桥梁工程建设行业注入了新的活力,为确保桥梁的工程质量、加快工程进度、控制工程造价提供了可靠的保障。
5 21世纪桥梁工程发展前瞻
5.1 学科发展
如前所述,本世纪以来桥梁结构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成熟,同时也会相互渗透。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。
随着计算机微处理器技术的迅猛发展,桥梁CAD技术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软件将会问世,并将迈入桥梁设计的网络时代。
桥梁施工控制技术将进一步发展,GPS(Global Posi-tioning System)技术的应用将成为施工测量技术研究的
热点。基础工程发展的重点在于海洋钻井平台技术的引进。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。
5.2材料发展
目前,在世界范围,高性能混凝土的研究在深入,应用在扩展。北欧国家如挪威、瑞典,桥梁基本都采用HPC(高性能混凝土)建造,目前对桥梁混凝土除高耐久与高强要求外,又增加了轻质的要求,因为桥梁上部结构使用轻质HPC(容重约1.9t/m3),桥梁自重减轻了,可以降低桥梁下部结构的成本,轻质高强(56~74MPa)HPC已经成功地在挪威一些工程中应用。美国、加拿大在SHRP计划的研究与应用基础上,正在大力宣传和推广应用HPC建设桥梁。有理由相信,高性能混凝土将获得越来越广泛的应用,并且会成为21世纪桥梁建设的优选工程材料。