【摘要】橋梁工程在20世紀(jì)中取得了顯著的成就。由于設(shè)計(jì)理論的進(jìn)步和各種新材料、新工藝的出現(xiàn)。尤其是電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，使橋梁的結(jié)構(gòu)形式和跨度有了飛躍的發(fā)展。人們?cè)跇蛄汗こ谭矫姘l(fā)現(xiàn)的規(guī)律和取得的寶貴經(jīng)驗(yàn)為21世紀(jì)的橋梁發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。本文小結(jié)了橋梁工程在20世紀(jì)中的成就，對(duì)橋梁向大跨度、柔性結(jié)構(gòu)發(fā)展的問題以及采用復(fù)合結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝等問題進(jìn)行了探討，并循其規(guī)律預(yù)測(cè)可能發(fā)展的趨向。
【關(guān)鍵詞】橋梁跨度
復(fù)合型橋梁 高性能混凝土 纖維加勁塑料 耐久性
一、20世紀(jì)橋梁工程的主要成就
20世紀(jì)是有史以來科學(xué)技術(shù)進(jìn)步最為迅速的時(shí)代，人們?cè)诳茖W(xué)技術(shù)方面所取得的成就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以前數(shù)百年中的成就。橋梁工程作為一項(xiàng)綜合性技術(shù)，是在諸多學(xué)科的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。在20世紀(jì)中橋梁工程技術(shù)有了重大突破，并且還將迅速地邁向更高的水平。
1．跨度的不斷突破創(chuàng)新
橋梁的跨度是一項(xiàng)重要指標(biāo)，各國(guó)對(duì)此都十分重視。20世紀(jì)中各類橋型的跨度紀(jì)錄不斷地刷新，但其發(fā)展是不平衡的。總的趨向是橋梁結(jié)構(gòu)向大跨、高強(qiáng)、輕型的方向發(fā)展，以纜索交承的柔性體系橋梁的發(fā)展占據(jù)了橋梁發(fā)展的主導(dǎo)地位。由圖1及圖2中可以明顯地示出這一趨向：
·在懸索橋方面，從19世紀(jì)末的486m跨度，經(jīng)歷了空氣動(dòng)力學(xué)上的認(rèn)識(shí)，纜索材料及施工技術(shù)上的進(jìn)步，最后使日本明石海峽大橋的主跨達(dá)到了1991m。
·在斜拉橋方面，自1955年瑞典斯特羅姆松德橋（Stromsund）奠定了近代斜拉橋基礎(chǔ)后，德國(guó)首先推廣了鋼斜拉橋。此后在我國(guó)及其他國(guó)家大量采用預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，以后又發(fā)展了各種復(fù)合型的斜拉橋，使這種橋到得到了很大的發(fā)展。尤其是采用計(jì)算機(jī)技術(shù)為主要手段對(duì)橋梁本身以及周圍介質(zhì)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行分析后，使空間、非線性以及動(dòng)力計(jì)算上諸多難題得到較完善的解決。同時(shí)由于斜拉索材料和安裝手段的進(jìn)步，使斜拉橋成為在20世紀(jì)中橋梁跨度發(fā)展最快的橋型。到對(duì)世紀(jì)末，跨度已達(dá)到了近900m。
·在鋼筋混凝土拱橋方面，由于結(jié)構(gòu)特征適于混凝土的受壓特性，在20世紀(jì)中在施工工藝上又?jǐn)[脫了膺架法的桎梏，發(fā)展了懸吊安裝、平轉(zhuǎn)、豎轉(zhuǎn)、浮運(yùn)以及剛性骨架等手段后，使鋼筋混凝土拱橋的跨度由世紀(jì)初的100m發(fā)展到萬縣長(zhǎng)江大橋的420m。這也是一項(xiàng)重大的發(fā)展。
·在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁方面，自法國(guó)的弗萊西奈（FreySSinet）教授于1938年完成了其理論及實(shí)踐后，到1952年預(yù)應(yīng)力混凝土橋的跨度即突破百米。直到20世紀(jì)末已超過300m大關(guān)。
·值得我們關(guān)注的是鋼管混凝土橋的發(fā)展。1940年前蘇聯(lián)已開始研究采用這種復(fù)合型構(gòu)件組成的橋梁，尤其是拱橋，并有了一定成就。鋼管混凝土構(gòu)件在受壓及小偏心受壓條件下由于鋼管的套箍作用有很多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在施工上可以先完成鋼結(jié)構(gòu)體系，然后在結(jié)構(gòu)中逐步填充混凝土，簡(jiǎn)化了施工工藝，所以，最近20年來這種結(jié)構(gòu)在我國(guó)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。估計(jì)目前有100多座這種類型的公路橋梁已經(jīng)完工或在施工中。到20世紀(jì)末已完成的鋼管混凝土橋跨度達(dá)273m，正在施工的鋼管混凝土拱橋跨度達(dá)360m，以鋼管混凝土構(gòu)件做加勁梁的懸索橋，其跨度達(dá)560m，也在施工之中。
·在鋼桁梁橋及鋼拱橋方面，20世紀(jì)中其跨度發(fā)展較緩。鋼桁梁橋的跨度仍維持在20世紀(jì)初的水平上，未曾突破。由于這種橋式的計(jì)算理論比較成熟，我國(guó)在跨越大江大河的公鐵兩用特大橋上，如武漢、南京、九江、蕪湖等關(guān)鍵工程，均采用了這種橋式。在跨度上，由武漢長(zhǎng)江大橋的128m發(fā)展到蕪湖長(zhǎng)江大橋的312m。我國(guó)在鋼桁梁橋的鋼種選用上也不斷地邁上新臺(tái)階。在結(jié)構(gòu)上發(fā)展了栓接的整體節(jié)點(diǎn)及混凝土橋面與鋼行梁共同作用的復(fù)合體系，這些成果推動(dòng)了我國(guó)鋼橋技術(shù)的發(fā)展。
3．中小跨度橋梁的蓬勃發(fā)展
中小型跨度橋梁占橋梁數(shù)量中的絕大多數(shù)。20世紀(jì)中這種橋梁中以混凝土及預(yù)應(yīng)力體系組合的橋型為主流。這些橋梁可按以下幾方面進(jìn)行區(qū)分：
·從材料上來說，20世紀(jì)中推出了各種高性能的混凝土如高強(qiáng)、輕質(zhì)、早強(qiáng)、緩凝、微膨脹、不離析、自密實(shí)等不同的品種；
·在預(yù)應(yīng)力體系方面，發(fā)展了各種品牌的高強(qiáng)鋼絲、鋼絞線及高強(qiáng)度螺紋鋼筋以及它們配套的張拉設(shè)備。
·從結(jié)構(gòu)體系上，有簡(jiǎn)支、連續(xù)、剛構(gòu)、V型墩、雙壁墩、桁拱等多種形式；
·從施工工藝上有預(yù)制及現(xiàn)澆之分，又有不同的施工方式，如膺架法、架橋機(jī)、造橋機(jī)、頂推、懸臂、浮運(yùn)等區(qū)分。
將以上各項(xiàng)進(jìn)行不同組合后，優(yōu)選產(chǎn)生了種類繁多的橋梁型式，達(dá)到了百花齊放、蓬勃發(fā)展的地步，大大改變了交通的狀況。
近20年來又出現(xiàn)了復(fù)合型橋梁結(jié)構(gòu)，即充分利用了鋼及混凝土承受外力不同性質(zhì)的特點(diǎn)，將鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)合起來，形成了結(jié)合梁及主跨為鋼結(jié)構(gòu)而邊跨為混凝土結(jié)構(gòu)的混合型橋梁。這種橋型已經(jīng)運(yùn)用到斜拉橋及懸索橋上，發(fā)展前景是十分廣闊的。近年來又推出了以折疊鋼板或波型鋼板代替混凝土箱梁腹板的橋型，這一結(jié)構(gòu)形式可以減輕傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的自重達(dá)1/2～1/3，在中小型橋梁上將有很大發(fā)展。
本世紀(jì)在中國(guó)、美國(guó)、日本、土耳其等國(guó)家的人口密集區(qū)均發(fā)生了嚴(yán)重的地震災(zāi)害。人們對(duì)地震的破壞機(jī)理有了更深入的認(rèn)識(shí)，研究出了一系列相應(yīng)的對(duì)策。現(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范均做了修改，在橋梁的修復(fù)、重建技術(shù)上總結(jié)了不少經(jīng)驗(yàn)，對(duì)新建橋梁的防震、免震技術(shù)上也在繼續(xù)研究之中，這將是21世紀(jì)在各類橋梁的設(shè)計(jì)上必須重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)之一。
在本世紀(jì)中大量采用混凝土材料的同時(shí)對(duì)其耐久性的認(rèn)識(shí)是不足的。一般認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限為50～100年，但不少結(jié)構(gòu)由于種種原因使用了10～20年后即需維修。根
據(jù)資料（[1]）統(tǒng)計(jì)，目前美國(guó)50萬座公路橋梁中有20萬座已經(jīng)損壞，平均每年有150～200座將部分或完全坍塌，而其壽命往往不足20年。修復(fù)這些橋梁的費(fèi)用達(dá)900億美元之巨。因此，不斷提高混凝土的耐久性，將僅以強(qiáng)度設(shè)計(jì)為準(zhǔn)的原則，改為同時(shí)考慮耐久性的設(shè)計(jì)原則是當(dāng)務(wù)之急。否則在21世紀(jì)的10～30年代，我國(guó)也將有大量橋梁進(jìn)入維修期，將是一個(gè)
沉重的負(fù)擔(dān)。
二、對(duì)21世紀(jì)橋梁發(fā)展趨向的探討
1．對(duì)橋梁繼續(xù)向柔性結(jié)構(gòu)發(fā)展的探討
橋梁向更大跨度的柔性結(jié)構(gòu)發(fā)展中，首要解決的是在氣動(dòng)及行車動(dòng)力響應(yīng)下結(jié)構(gòu)的安全及穩(wěn)定問題以及在高速行車條件下的人身安全及舒適度的要求。因此必須進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)橋梁的動(dòng)力條件下的分析計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究工作。在計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，如何正確地描述結(jié)構(gòu)的動(dòng)力行為以及旅客的反應(yīng)還需做大量的工作。關(guān)于如何增大特大跨度柔性橋梁的剛度問題，根據(jù)各國(guó)專家的建議，可初步歸納為以下幾點(diǎn)：
·將截面做成適應(yīng)空氣動(dòng)力要求的箱形、三角形、弧形或分離的如圖3（a）所示的各種流線型加勁梁，使具有足夠的豎向、橫向剛度及抗扭剛度；
·采用具有斜索面的或如圖3（b），（c）所示的以纜索為主的空間網(wǎng)狀承重體系，以加強(qiáng)各向的剛度；
·采用懸索+斜拉的混合型橋式，將超大的主跨分解為兩種體系，使與跨度平方成比例的懸索橋部分纜索減載；
·采用輕型而剛度大的復(fù)合結(jié)構(gòu)做為加勁梁，并采用自重輕、強(qiáng)度大的碳纖維材料做主纜。
各國(guó)專家對(duì)已蘊(yùn)釀多年的直布羅陀海峽橋、墨西拿海峽橋、馬六甲海峽橋等均有了各種建議的方案，我國(guó)瓊州海峽橋也擬出了2km主跨的連續(xù)懸索橋方案。這些大橋在科技不斷進(jìn)步的21世紀(jì)中必將逐一變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
近期我國(guó)已在進(jìn)行高速鐵路的建設(shè)，其中必將在長(zhǎng)江上修建可通過高速列車的特大跨度橋梁。這是我國(guó)在21世紀(jì)中首要解決的關(guān)鍵問題。
2．工程材料的發(fā)展必將使橋梁工程有重大的進(jìn)步
在工程材料上，首先是鋼材的發(fā)展。我國(guó)還須進(jìn)一步開展低含碳量和含其他合金元素。經(jīng)過微合金化和晶粒細(xì)化處理的超高強(qiáng)度鋼材的研究和生產(chǎn)，這種超高強(qiáng)度鋼材應(yīng)具有優(yōu)異的焊接性能。在20世紀(jì)我國(guó)已建成了采用可焊性良好的4MnNbq及15MnVNq鋼及栓焊整體節(jié)點(diǎn)組成的大型橋梁，但尚需進(jìn)一步發(fā)展，向超高強(qiáng)度鋼及全焊鋼梁結(jié)構(gòu)發(fā)展。
混凝土在21世紀(jì)中仍是橋梁最主要的建筑材料。在改善混凝土性能方面，重點(diǎn)在使其耐久性達(dá)到良好的指標(biāo)。這主要是改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，摻入高效減水劑及活性礦物摻合料，使孔隙率大幅度降低來提高其耐久性。特別是以水泥為基料的含有超細(xì)微粒的硅灰及纖維增強(qiáng)材料最有發(fā)展前途。目前實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)度已達(dá)到200MPa（［2］），其特點(diǎn)及遠(yuǎn)景為：
·使橋梁自重減少1/3～1/2，與鋼結(jié)構(gòu)的重量相似；
·耐久性、抗凍性加強(qiáng)，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命，減少維修工作量；
·具有很高的彎曲應(yīng)力（20～25MPa），這樣可以免去表面分布鋼筋及部分力筋的設(shè)置，混凝土工程將大為簡(jiǎn)化。
在鋼管混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)方面，我國(guó)現(xiàn)有的水平尚需進(jìn)一步提高，例如：
·在鋼管混凝土內(nèi)填充含有超細(xì)微粒的硅灰及纖維增強(qiáng)混凝土后，承壓力可能達(dá)到350MPa，這將使桿件更為纖細(xì)化。
·在鋼管混凝土構(gòu)件中引入預(yù)應(yīng)力，可擴(kuò)大受拉構(gòu)件的使用范圍；
·在鐵路橋梁中采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)的疲勞成為突出的問題。在這方面，海洋石油平臺(tái)多年的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是值得借鑒的。
隨著航空工業(yè)及原子能工業(yè)的發(fā)展，人們?cè)?0世紀(jì)中已經(jīng)研制出了各種類型的纖維增強(qiáng)塑料（FRP）。它們具有自重輕、強(qiáng)度高等優(yōu)異性能，必將成為橋梁今后主要采用的材料。如采用FRP的模拔型材已在試用，更有發(fā)展前途的是用纖維增強(qiáng)塑料（FRP）來制成力筋及纜索材料。如瑞士的米勒（Meier）教授認(rèn)為，主跨為8400m的直布羅陀海峽橋方案中，由于鋼索的自重過大，只有采用碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）才有可能完成。
3．在設(shè)計(jì)理論及施工工藝上必將進(jìn)一步結(jié)合
橋梁結(jié)構(gòu)向大型化、空間化發(fā)展后產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和施工的可能性的問題。這兩者的統(tǒng)一是完美地建造重大工程的關(guān)鍵。20世紀(jì)中若干重大橋梁的設(shè)計(jì)及施工手段的結(jié)合，使人們對(duì)如何完成優(yōu)良的工程有了新的看法。
例如，在20世紀(jì)末葉建成的丹麥大帶海峽（Great
Belt）橋、加拿大的諾森伯蘭海峽（Northumberland
Strait）橋和丹麥、瑞典間的菲阿桑橋（Feresund）的設(shè)計(jì)及施工中如何正確地選取橋梁上下部結(jié)構(gòu)，以及相應(yīng)的施工手段是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。由于上述橋梁在設(shè)計(jì)中選用了整體預(yù)制的大型混凝土構(gòu)件及相應(yīng)的特大型浮吊，使工程得以在高質(zhì)量、高度機(jī)械化、高速度及低成本的條件下順利完成。這種設(shè)計(jì)理論和施工手段將在21世紀(jì)中必將得到更大的發(fā)展和更多的應(yīng)用。
我國(guó)橋梁的設(shè)計(jì)及施工分離的狀況宜按此經(jīng)驗(yàn)改變，這將促使橋梁事業(yè)的良性發(fā)展的進(jìn)程。
迄今為止，世界上在橋梁基礎(chǔ)工程上尚無深于100m的深水基礎(chǔ)工程實(shí)踐。而在石油工業(yè)上，水深400m的石油鉆井平臺(tái)早已實(shí)現(xiàn)。所以，借鑒海洋石油工業(yè)中鋼結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)兩種類型的海上采油平臺(tái)及貯油庫的修建經(jīng)驗(yàn)，對(duì)加速橋梁深水基礎(chǔ)及設(shè)置沉井基礎(chǔ)
（Placing
Foundation）的發(fā)展是十分必要的。
4．21世紀(jì)中必將十分重視橋梁美學(xué)及環(huán)境保護(hù)
橋梁工程是大自然中具有魅力的空間建筑物。古代橋梁建筑與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)和諧、相互輝映的例子甚多。20世紀(jì)中特大型橋梁及城市中的橋梁多成為景觀效果上的關(guān)鍵建筑物。我國(guó)在20世紀(jì)50年代時(shí)提出的"適用、安全和適當(dāng)照顧適美觀"的原則已發(fā)展到"安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀"并重的原則。世界上在20世紀(jì)中有許多橋梁的造型十分震撼人心，其影響是深遠(yuǎn)的。如30年代的美國(guó)的舊金山橋以及西班牙賽維利亞（seviille）市無背索的單跨斜拉橋--阿拉米羅橋（Alamillo）；瑞士的剛性拉板斜拉橋--甘特橋（Ganter）；又如我國(guó)香港地區(qū)采用4索面的汀九斜拉橋，等等，使人類認(rèn)識(shí)到橋梁建筑藝術(shù)造型的價(jià)值及藝術(shù)與經(jīng)濟(jì)的統(tǒng)一。因此，21世紀(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)必將更加重視建筑與藝術(shù)造型并重，必將注重環(huán)境保護(hù)與環(huán)境協(xié)調(diào)，進(jìn)而使我們的生活環(huán)境更加美好。
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