談橋梁的興起與發(fā)展

王 娟

(成都師范學(xué)院土木系，四川成都 611130)

縱觀橋梁的發(fā)展歷程，不難看出它是人們智慧的結(jié)晶，是從失敗中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，一步一步走過(guò)來(lái)才取得今天的成績(jī)。

從建橋材料上來(lái)說(shuō)，古代的橋梁采用的建橋材料十分有限，有石頭、木材、樹(shù)藤、鐵鏈等，用這些材料人們只能建造小跨度載重小的橋。橋梁發(fā)展到今天的大跨度、重載經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的時(shí)期。

1779年由于工業(yè)革命的需要，在英國(guó)什羅普郡鄉(xiāng)間要建造跨越塞文河的30 m長(zhǎng)的橋梁。然而這在當(dāng)時(shí)是一個(gè)巨大的難題。因?yàn)楫?dāng)時(shí)常用的建橋材料根本建不出30 m跨度的橋，也就是說(shuō)在此之前世界上根本沒(méi)有達(dá)到30 m跨度的橋。當(dāng)時(shí)常用的建橋材料是石塊，可是用它建造30 m跨度的拱橋，橋梁會(huì)被它巨大的自重壓垮，再加上建橋技術(shù)的限制，如果沒(méi)有新的突破，根本建不出預(yù)期中的橋。一種新建材，鑄鐵就這樣誕生了。用鑄鐵建造拱橋，由于鑄鐵的強(qiáng)度大于石塊，所以減少了用量，減輕了自重，增大了跨越能力。這座用鑄鐵建造的拱橋，即科爾布魯克代爾橋(見(jiàn)圖1)，有木橋的痕跡，因?yàn)樗诓考g的連接上采用的是木工常用的方法，這也是這座橋的閃光點(diǎn)。

現(xiàn)在不同時(shí)期跨度最大的橋梁所采用的橋型大多是懸索橋(即吊橋)，然而這種橋型是如何向大跨度發(fā)展起來(lái)的。早期的吊橋和石拱橋一樣跨度都不大。建造吊橋所用的材料主要是藤索、竹索、鐵鏈，且主要建在深山峽谷中。然而要在從威爾士到愛(ài)爾蘭之間177 m的梅奈海峽上建一座橋，在當(dāng)時(shí)是橋梁跨度上質(zhì)的飛躍。建橋者沒(méi)有選擇拱橋，而是選擇了吊橋。1826年英國(guó)的梅奈海峽橋誕生了，它采用鍛鐵為建橋材料，是現(xiàn)代吊橋的第一個(gè)杰作，開(kāi)啟了吊橋向大跨度邁進(jìn)的第一步。除跨度外，梅奈海峽橋?yàn)楝F(xiàn)代吊橋做出的另一個(gè)貢獻(xiàn)是采用了索塔將橋面撐起，使得車(chē)輛可以行駛在上面，在此之前吊橋只是用來(lái)供行人通過(guò)。

如果說(shuō)梅奈海峽橋開(kāi)啟了吊橋向大跨度邁進(jìn)的第一步，那么在尼加拉峽谷建造的尼加拉大橋就是橋梁向重載邁進(jìn)的第一步。該橋用于要承受火車(chē)荷載，載重是空前的，建橋者面臨的挑戰(zhàn)也是空前的。智慧的人們發(fā)現(xiàn)一束拉細(xì)的鐵絲和同樣粗的一根鐵棒相比承受的荷載更大。1855年，用鐵絲代替鐵鏈的尼加拉大橋通車(chē)了，第一列由美國(guó)駛往加拿大的火車(chē)順利通過(guò)該橋。

然而從鐵發(fā)展到鋼，實(shí)現(xiàn)這一飛躍的是紐約的布魯克林大橋。1883年建成的主跨486 m的布魯克林大橋是當(dāng)時(shí)世界上跨度最大的懸索橋?？墒?，就在橋梁建造的過(guò)程中甚至在建成之后，當(dāng)?shù)氐氖忻褡h論紛紛，大家都在說(shuō)這座橋會(huì)垮，不安全。因?yàn)榭缍忍罅耍麄儗?duì)建橋所用的材料憂心忡忡。在平爐煉鋼實(shí)現(xiàn)后，這是第一次將鋼用于橋梁，這正是人們擔(dān)心的地方。可是建造者信心滿滿，因?yàn)樗涝谑芰ι箱摰男阅軆?yōu)于鐵，這座橋是安全的。經(jīng)過(guò)時(shí)間的考驗(yàn)，至今屹立在紐約的這座橋向世界人們證實(shí)了它的成功。

混凝土這種建橋材料雖然在古羅馬時(shí)期就有了，可是由于配方失傳，直到后來(lái)的19世紀(jì)才開(kāi)始應(yīng)用于橋梁。雖然今天用混凝土建造的橋梁在跨度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及鋼材，但是無(wú)論是造價(jià)，還是耐久性上它都有自己的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。1962年委內(nèi)瑞拉建成的馬拉開(kāi)波橋主跨235 m，是第一座混凝土斜拉橋。1991年挪威建成的斯卡爾桑德橋(Skarnsundet)主跨達(dá)到530 m。用混凝土代替石塊建橋推動(dòng)了橋梁的發(fā)展，讓人們用較低的價(jià)格就可以建造使用很久的橋梁，且養(yǎng)護(hù)費(fèi)用比鋼橋低得多。

然而失敗是成功之母，橋梁發(fā)展到今天也經(jīng)歷了無(wú)數(shù)的波折。

美國(guó)1940年完工的主跨853 m的懸索橋，即舊塔科馬橋(Tacoma Narrows)，在完工后就不穩(wěn)定，被人們稱作“奔馳的馬駒”。只使用了3個(gè)月，便在19m/s左右的風(fēng)速下垮塌了(見(jiàn)圖2)。19 m/s的風(fēng)速是常見(jiàn)的強(qiáng)風(fēng)，這么普通的風(fēng)都可以摧毀一座橋。那么海邊的臺(tái)風(fēng)在摧毀房屋、樹(shù)木的同時(shí)，當(dāng)然也可以摧毀橋梁。這一風(fēng)毀橋事件引起了人們的重視，開(kāi)啟了人們對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的研究。結(jié)果表明，大跨度的懸索橋雖然跨度大，但它的剛度卻不大，剛度小的橋梁在風(fēng)荷載的作用下像隨風(fēng)擺動(dòng)的柳條一樣會(huì)發(fā)生晃動(dòng)，雖然沒(méi)有柳條動(dòng)得那么劇烈，但后果是毀滅性的。舊塔科馬橋是當(dāng)時(shí)世界上跨度排名第三的橋梁，那么為什么其他的大跨度橋梁卻安然無(wú)恙。原來(lái)是相對(duì)跨度而言這座橋的寬度太小了，所以也把舊塔科馬橋稱為舊塔科馬“窄”橋;另外建造加勁梁所用的鋼板梁阻礙了風(fēng)的通行，抗風(fēng)穩(wěn)定性太差。在吸收了舊塔科馬橋失敗經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，新塔科馬橋誕生了，重建的新塔科馬橋彌補(bǔ)了舊塔科馬橋的缺陷，代替舊塔科馬橋繼續(xù)為人們服務(wù)。今天我們建造大跨度橋梁在進(jìn)行抗風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算之外還進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，這樣就避免了舊塔科馬橋事故的重演。

圖1 科爾布魯克代爾橋（Coalbrookdale）

圖2 舊塔科馬橋被風(fēng)吹毀

1907年加拿大魁北克(Quebec)鋼懸臂桁架梁橋在施工時(shí)突然發(fā)生垮塌。究其原因，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)以前人們從不知道卻真實(shí)存在的設(shè)計(jì)缺陷，那就是壓桿失穩(wěn)問(wèn)題。由于這一時(shí)期，類(lèi)似橋梁事故的發(fā)生，使橋梁穩(wěn)定理論得以建立并取得重要成果。不屈不撓的建橋者在1918年，重建了加拿大魁北克(Quebec)橋，主跨549 m，屹立至今。

1967年2月美國(guó)位于俄亥俄州和西弗吉尼亞州之間的橫跨俄亥俄河上的銀橋(Silver Bridge)的一根金屬條本身在鑄造時(shí)就存在的很小的裂紋，后來(lái)在裂紋處發(fā)生銹蝕，銹蝕使得裂紋擴(kuò)大，該金屬條最終斷裂而使銀橋突然倒塌。鋼材銹蝕即使不造成橋梁的突然垮塌，也會(huì)在一定程度上損壞橋梁，降低橋梁的使用壽命，造成經(jīng)濟(jì)損失。我國(guó)早期建造的斜拉橋，就有由于防護(hù)不盡完善而引起斜拉索嚴(yán)重銹蝕的，如廣州海印橋的斜拉索已被迫全部更換。橋梁發(fā)展的腳步?jīng)]有就此停住，防止鋼材銹蝕的方法多種多樣。

如對(duì)鋼絲鍍鋅，涂防銹底漆，將鋼絞線或鋼絲形成的斜拉索用塑料材料、油脂、石蠟、彈性環(huán)氧產(chǎn)品等包裹，外面設(shè)置防護(hù)管道。新的更好的防護(hù)方法也不斷出現(xiàn)。如對(duì)懸索橋大纜的防護(hù)可采用干空氣導(dǎo)入法，這種方法首次在日本采用，后來(lái)我國(guó)的潤(rùn)揚(yáng)大橋也采用了此法。橋梁建造和發(fā)展過(guò)程中遇到過(guò)各種各樣的難題，除上面提到的大跨度、抗風(fēng)等，如橋梁的抗撞，橋梁抗震等都可能阻礙橋梁發(fā)展的腳步;并且橋梁投資巨大，影響橋梁使用壽命的因素又多種多樣，所以橋梁工作者在設(shè)計(jì)、建造、養(yǎng)護(hù)維修時(shí)既要發(fā)揮才智又要小心、謹(jǐn)慎，盡量排除各種不利因素，克服重重困難，在解決問(wèn)題過(guò)程中不斷進(jìn)步，推動(dòng)橋梁事業(yè)的發(fā)展。

［1］李亞?wèn)|．橋梁工程概論［M］．第2版．南京:西南交通大學(xué)出版社，2006．

［2］嚴(yán)國(guó)敏．現(xiàn)代懸索橋［M］．北京:人民交通出版社，2002．