桥梁发展史
桥梁是道路的组成部分。从工程技术的角度来看,桥梁发展可分为古代、近代和现代三个时期。
古代桥梁 人类在原始时代,跨越水道和峡谷,是利用自然倒下来的树木,自然形成的石梁或石拱,溪涧突出的石块,谷岸生长的藤萝等。人类有目的地伐木为桥或堆石、架石为桥始于何时,已难以考证。据史料记载,中国在周代(公元前11世纪—前256年)已建有梁桥和浮桥,如公元前1134年左右,西周在渭水架有浮桥。古巴比伦王国在公元前1800年建造了多跨的木桥,桥长达183米。古罗马在公元前621年建造了跨越台伯河的木桥,在公元前481年架起了跨越赫勒斯旁海峡的浮船桥。古代美索不达米亚地区,在公元前4世纪时建起挑出石拱桥(拱腹为台阶式)。
古代桥梁在17世纪以前,一般是用木、石材料建造的,并按建桥材料把桥分为石桥和木桥。
石桥 石桥的主要形式是石拱桥。据考证,中国早在东汉时期(公元25—220年)就出现石拱桥,如出土的东汉画像砖,刻有拱桥图形。现在尚存的赵州桥(又名安济桥),建于公元605—617年,净跨径为37米,首创在主拱圈上加小腹拱的空腹式(敞肩式)拱。中国古代石拱桥拱圈和墩一般都比较薄,比较轻巧,如建于公元816—819年的宝带桥,全长317米,薄墩扁拱,结构精巧。
赵州桥
罗马时代,欧洲建造拱桥较多,如公元前200—公元200年间在罗马台伯河建造了8座石拱桥,其中建于公元前62年的法布里西奥石拱桥,桥有2孔,各孔跨径为24.4米。公元98年西班牙建造了阿尔桥,高达52米。此外,出现了许多石拱水道桥,如现存于法国的加尔德引水桥,建于公元前1世纪,桥分为3层,最下层为7孔,跨径为16—24米。罗马时代拱桥多为半圆拱,跨径小于25米,墩很宽,约为拱跨的三分之一。
罗马帝国灭亡后数百年,欧洲桥梁建筑进展不大。11世纪以后,尖拱技术由中东和埃及传到欧洲,欧洲开始出现尖拱桥,如法国在公元1178—1188年建成的阿维尼翁桥,为20孔跨径达34米尖拱桥。英国在公元1176—1209年建成的泰晤士河桥为19孔跨径约7米尖拱桥。西班牙在13世纪建了不少拱桥,如托莱多的圣玛丁桥。拱桥除圆拱、割圆拱外,还有椭圆拱和坦拱。公元1542—1632年法国建造的皮埃尔桥为七孔不等跨椭圆拱,最大跨径约32米。当时椭圆拱曾盛行一时。1567—1569在佛罗伦萨的圣特里尼塔建了三跨坦拱桥,其矢高同跨度比为1∶7。11—17世纪建造的桥,有的在桥面两侧设商店,如意大利威尼斯的里亚尔托桥。
石梁桥是石桥的又一形式。中国陕西省西安附近的灞桥原为石梁桥,建于汉代,距今已有2000多年。公元11—12世纪南宋泉州地区先后建造了几十座较大型石梁桥,其中有洛阳桥、安平桥。安平桥(五里桥)原长2500米,362孔,现长2070米,332孔。英国达特穆尔现存的石板桥,有的已有2000多年。
木桥 早期木桥多为梁桥,如秦代在渭水上建的渭桥,即为多跨梁式桥。木梁桥跨径不大,伸臂木桥可以加大跨径。中国3世纪在甘肃安西与新疆吐鲁番交界处建有伸臂木桥,“长一百五十步”。公元405—418年在甘肃临夏附近河宽达40丈处建悬臂木桥,桥高达50丈。八字撑木桥和拱式撑架木桥亦可以加大跨径。16世纪意大利的巴萨诺桥为八字撑木桥。
木拱桥出现较早,公元104年在匈牙利多瑙河建成的特拉杨木拱桥,共有21孔,每孔跨径为36米。中国在河南开封修建的虹桥,净跨约为20米,亦为木拱桥,建于公元1032年。日本在岩国锦川河修建的锦带桥为五孔木拱桥,建于公元300年左右,是中国僧戴曼公独立禅师帮助修建的。
中国西南地区有用竹篾缆造的竹索桥。著名的竹索桥是四川灌县珠浦桥,桥为8孔,最大跨径约60米,总长330余米,建于宋代以前。
古代桥梁基础,在罗马时代开始采用围堰法施工,即打木板桩成围堰,抽水后在其中修筑桥梁基础和桥墩。1209年建成的英国泰晤士河拱桥,其基础就是用围堰法修筑,但是,那时只能用人工打桩和抽水,基础较浅。中国11世纪初,著名的洛阳桥在桥址江中先遍抛石块,其上养殖牡蛎二三年后胶固而成筏形基础,是一个创举。
近代桥梁 18世纪铁的生产和铸造,为桥梁提供了新的建造材料。但铸铁抗冲击性能差,抗拉性能也低,易断裂,并非良好的造桥材料。19世纪50年代以后,随着酸性转炉炼钢和平炉炼钢技术的发展,钢材成为重要的造桥材料。钢的抗拉强度大,抗冲击性能好,尤其是19世纪70年代出现钢板和矩形轧制断面钢材,为桥梁的部件在厂内组装创造了条件,使钢材应用日益广泛。
18世纪初,发明了用石灰、粘土、赤铁矿混合煅烧而成的水泥。19世纪50年代,开始采用在混凝土中放置钢筋以弥补水泥抗拉性能差的缺点。此后,于19世纪70年代建成了钢筋混凝土桥。
近代桥梁建造,促进了桥梁科学理论的兴起和发展。1857年由圣沃南在前人对拱的理论、静力学和材料力学研究的基础上,提出了较完整的梁理论和扭转理论。这个时期连续梁和悬臂梁的理论也建立起来。桥梁桁架分析(如华伦桁架和豪氏桁架的分析方法)也得到解决。19世纪70年代后经德国人K.库尔曼、英国人W.J.M.兰金和J.C.麦克斯韦等人的努力,结构力学获得很大的发展,能够对桥梁各构件在荷载作用下发生的应力进行分析。这些理论的发展,推动了桁架、连续梁和悬臂梁的发展。19世纪末,弹性拱理论已较完善,促进了拱桥发展。20世纪20年代土力学的兴起,推动了桥梁基础的理论研究。
近代桥梁按建桥材料划分,除木桥、石桥外,还有铁桥、钢桥、钢筋混凝土桥。
木桥 16世纪前已有木桁架。1750年在瑞士建成拱和桁架组合的木桥多座,如赖谢瑙桥,跨径为73米。在18世纪中叶至19世纪中叶,美国建造了不少木桥,如1785年在佛蒙特州贝洛兹福尔斯的康涅狄格河建造的第一座木桁架桥,桥共二跨,各长55米;1812年在费城斯库尔基尔河建造的拱和桁架组合木桥,跨径达104米。桁架桥省掉拱和斜撑构,简化了结构,因而被广泛应用。由于桁架理论的发展,各种形式桁架木桥相继出现,如普拉特型、豪氏型、汤氏型等。由于木结构桥用铁件量很多,不如全用铁经济,因此,19世纪后期木桥逐渐为钢铁桥所代替。
铁桥 包括铸铁桥和锻铁桥。铸铁性脆,宜于受压,不宜受拉,适宜作拱桥建造材料。世界上第一座铸铁桥是英国科尔布鲁克代尔厂所造的塞文河桥,建于1779年,为半圆拱,由五片拱肋组成,跨径30.7米。锻铁抗拉性能较铸铁好,19世纪中叶跨径大于60—70米的公路桥都采用锻铁链吊桥。铁路因吊桥刚度不足而采用桁桥,如1845—1850年英国建造布列坦尼亚双线铁路桥,为箱型锻铁梁桥。19世纪中以后,相继建立起梁的定理和结构分析理论,推动了桁架桥的发展,并出现多种形式的桁梁。但那时对桥梁抗风的认识不足,桥梁一般没有采取防风措施。1879年12月大风吹倒才建成18个月的阳斯的泰湾铁路锻铁桥,就是由于桥梁没有设置横向连续抗风构。(www.xing528.com)
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。欧洲第一座铁链吊桥是英国的蒂斯河桥,建于1741年,跨径20米,宽0.63米。1820—1826年,英国在威尔士北部梅奈海峡修建一座中孔长177米用锻铁眼杆的吊桥。这座桥由于缺乏加劲梁或抗风构,于1940年重建。世界上第一座不用铁链而用铁索建造的吊桥,是瑞士的弗里堡桥,建于1830—1834年、桥的跨径为233米。这座桥用2000根铁丝就地放线,悬在塔上,锚固于深18米的锚碇坑中。
1855年,美国建成尼亚加拉瀑布公路铁路两用桥。这座桥是采用锻铁索和加劲梁的吊桥,跨径为250米。1869—1883年,美国建成纽约布鲁克林吊桥,跨度为283+486+283米。这些桥的建造,提供了用加劲桁来减弱震动的经验。此后,美国建造的长跨吊桥,均用加劲梁来增大刚度,如1937年建成的旧金山金门桥(主孔长为1280米,边孔为344米,塔高为228米),以及同年建成的旧金山奥克兰海湾桥(主孔长为704米,边孔为354米,塔高为152米),都是采用加劲梁的吊桥。
1940年,美国建成的华盛顿州塔科玛海峡桥,桥的主跨为853米,边孔为335米,加劲梁高为2.74米,桥宽为11.9米。这座桥于同年11月7日,在风速仅为67.5公里/小时的情况下,中孔及边孔便相继被风吹垮。这一事件,促使人们研究空气动力学同桥梁稳定性的关系。
钢桥 美国密苏里州圣路易市密西西比河的伊兹桥,建于1867—1874年,是早期建造的公路铁路两用无铰钢桁拱桥,跨径为153+158+153米。这座桥架设时采用悬臂安装的新工艺,拱肋从墩两侧悬出,由墩上临时木排架的吊索拉住,逐节拼接,最后在跨中将两半拱连接。基础用气压沉箱下沉33米到岩石层。气压沉箱因没有安全措施,发生119起严重沉箱病,14人死亡。19世纪末弹性拱理论已逐步完善,促进了20世纪20—30年代修建较大跨钢拱桥,较著名的有:纽约的岳门桥,建成于1917年,跨径305米;纽约贝永桥,建成于1931年,跨径504米;澳大利亚悉尼港桥,建成于1932年,跨径503米。3座桥均为双铰钢桁拱。
19世纪中期出现了根据力学设计的悬臂梁。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,并于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世纪初期,悬臂梁桥曾风行一时,如1901—1909年美国建造的纽约昆斯堡桥,是一座中间锚跨为190米、悬臂为150和180米、无悬跨、由铰联结悬臂、主跨为300米和360米的悬臂梁桥。1900—1917年建造的加拿大魁北克桥也是悬臂钢桥。1933年建成的丹麦小海峡桥为五孔悬臂梁公路铁路两用桥,跨径为137.50+165+200+165+137.5米。
1896年比利时工程师菲伦代尔发明了空腹桁架桥。比利时曾经造了几座铆接和电焊的空腹桁架桥。
钢筋混凝土桥 1875—1877年,法国园艺家莫尼埃建造了一座人行钢筋混凝土桥,跨径16米,宽4米。1890年,德国不莱梅工业展览会上展出了一座跨径40米的人行钢筋混凝土拱桥。1898年,修建了沙泰尔罗钢筋混凝土拱桥。这座桥是三铰拱,跨径52米。1905年,瑞士建成塔瓦纳萨桥,跨径51米,是一座箱形三铰拱桥,矢高5.5米。1928年,英国在贝里克的罗亚尔特威德建成4孔钢筋混凝土拱桥,最大跨径为110米。1934年,瑞典建成跨径为181米、矢高为26.2米的特拉贝里拱桥;1943年又建成跨径为264米、矢高近40米的桑德拱桥。
桥梁基础施工,在18世纪开始应用井筒,英国在修威斯敏斯特拱桥时,木沉井浮运到桥址后,先用石料装载将其下沉,而后修基础及墩。1851年,英国在肯特郡的罗切斯特处修建梅德韦桥时,首次采用压缩空气沉箱。1855—1859年,在康沃尔郡的萨尔塔什修建罗亚尔艾伯特桥时,采用直径11米的锻铁筒,在筒下设压缩空气沉箱。1867年,美国建造伊兹河桥,也用压缩空气沉箱修建基础。压缩空气沉箱法施工,工人在压缩空气条件下工作,若工作时间长,或从压缩气箱中未经减压室骤然出来,或减压过快,易引起沉箱病。
1845年以后,蒸汽打桩机开始用于桥梁基础施工。
现代桥梁 20世纪30年代,预应力混凝土和高强度钢材相继出现,材料塑性理论和极限理论的研究,桥梁振动的研究和空气动力学的研究,以及土力学的研究等获得了重大进展。从而,为节约桥梁建筑材料,减轻桥重,预计基础下沉深度和确定其承载力提供了科学的依据。现代桥梁按建桥材料可分为预应力钢筋混凝土桥、钢筋混凝土桥和钢桥。
预应力钢筋混凝土桥 1928年,法国弗雷西内工程师经过20年的研究,用高强钢丝和混凝土制成预应力钢筋混凝土。这种材料,克服了钢筋混凝土易产生裂纹的缺点,使桥梁可以用悬臂安装法、顶推法施工。随着高强钢丝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。
预应力钢筋混凝土桥有简支梁桥、连续梁桥、悬臂梁桥、拱桥、桁架桥、刚架桥、斜拉桥等桥型。简支梁桥的跨径多在50米以下。连续梁桥如1966年建成的法国奥莱隆桥,是一座预应力混凝土连续梁高架桥,共有26孔,每孔跨径为79米。1982年建成的美国休斯敦船槽桥,是一座中跨229米的预应力混凝土连续梁高架桥,用平衡悬臂法施工。悬臂梁桥如1964年联邦德国在柯布伦茨建成的本多夫桥,其主跨为209米;1976年建成的日本滨名桥,主跨240米;中国1980年完工的重庆长江桥,主跨174米。桁架桥如1960年建成的联邦德国芒法尔河谷桥,跨径为90+108+90米,是世界上第一座预应力混凝土桁架桥。1966年苏联建成一座预应力混凝土桁架式连续桥,跨径为106+3×166+106米,用浮运法施工。刚架桥如1957年建成的法国图卢兹的圣米歇尔桥,是一座1—60米、5—65米的预应力混凝土刚架桥;1974年建成的法国博诺姆桥,主跨径为186.25米,是目前最大跨径预应力混凝土刚架桥。预应力钢筋混凝土吊桥是将预应力梁中的预应力钢丝索作为悬索,并同加劲梁构成自锚式体系,1963年建成的比利时根特的梅勒尔贝克桥和玛丽亚凯克桥,主跨径分别为56米和100米,就是预应力钢筋混凝土吊桥。斜拉桥如1962年建成委内瑞拉的马拉开波湖桥。这座桥为5孔235米连续梁,由悬在A形塔的预应力斜拉索将悬臂梁吊起。斜拉桥的梁是悬在索形成的多弹性支承上,能减少梁高,且能提高桥的抗风和抗扭转震动性能,并可利用拉索安装主梁,有利于跨越大河,因而应用广泛。预应力混凝土斜拉桥如1971年利比亚建造的瓦迪库夫桥,主跨径282米;1978年美国建造的华盛顿州哥伦比亚河帕斯科-肯纳威克桥,主跨299米;1977年法国建造的塞纳河布罗东纳桥,主跨320米。中国已建成十多座预应力混凝土斜拉桥,其中1982年建成的山东济南黄河桥主跨为220米。
钢筋混凝土桥 二次世界大战以后,世界上修建了多座较大跨径的钢筋混凝土拱桥,如1963年通车的葡萄牙亚拉达拱桥,跨径为270米,矢高50米;1964年完工的澳大利亚悉尼港的格莱兹维尔桥,跨径305米。
中国1964年创造钢筋混凝土双曲拱桥。桥由拱肋和拱波组成,纵向和横向均有曲度,横向也用拱波形式。拱肋和拱波分段预制,因此可用轻型吊装设施安装。这样,在缺乏重型运输工具和重型吊装机具下,也可以修建较大跨径拱桥。第一座试验双曲拱桥,建于中国江苏无锡,跨径为9米。此后,1972年建成湖南长沙湘江大桥,是一座16孔双曲拱桥,大孔跨径为60米,小孔跨径为50米,总长1250米。
钢筋混凝土桁架拱桥是拱和桁架组合而成的结构,其用料少,重量轻,施工简易。
钢桥 二次世界大战后,随着强度高、韧性好、抗疲劳和耐腐蚀性能好的钢材的出现,以及用焊接平钢板和用角钢、板钢材等加劲所形成轻而高强的正交异性板桥面的出现,高强度螺栓的应用等,钢桥有很大发展。
钢板梁和箱形钢梁同混凝土相结合的桥型,以及把正交异性板桥面同箱形钢梁相结合的桥型,在大、中跨径的桥梁上广泛运用。1951年联邦德国建成的杜塞尔多夫至诺伊斯桥,是一座正交异性板桥面箱形梁,跨径206米。1957年联邦德国建成的杜塞尔多夫北桥,是座6孔72米钢板梁结交梁桥。1957年南斯拉夫建成的贝尔格莱德的萨瓦河桥,是一座钢板梁桥,跨径为75+261+75米,为倒U形梁。1973年法国建成的马蒂格斜腿刚架桥,主跨为300米。1972年意大利建成的斯法拉沙桥,跨径达376米,是目前世界上跨径最大的钢斜腿刚架桥。1966年美国完工的俄勒冈州阿斯托里亚桥,是一座连续钢桁架桥,跨径达376米。1966年日本建成的大门桥,是一座连续钢桁架桥,跨径达300米。1968年中国建成的南京长江桥,是一座公路铁路两用的连续钢桁架桥,正桥为128+9×160+128米,全桥长6公里。1972年日本建成的大阪港的港大桥为悬臂梁钢桥,桥长980米,由235米锚孔和162米悬臂、186米悬孔所组成。1964年美国建成的纽约维拉扎诺吊桥,主孔1298米,吊塔高210米。1966年英国建成的塞文吊桥,主孔985米。这座桥根据风洞试验,首次采用梭形正交异性板箱形加劲梁,梁高只有3.05米。1980年英国完工的恒比尔吊桥,主跨为1410米,也用梭形正交异性板箱形加劲梁,梁高只有3米。
20世纪60年代以后,钢斜拉桥发展起来。第一座钢斜拉桥是瑞典建成的斯特伦松德海峡桥,建于1956年,跨径为74.7+182.6+74.7米。这座桥的斜拉索在塔左右各两根,由钢筋混凝土板和焊接钢板梁组合作为纵梁。1959年联邦德国建成的科隆钢斜拉桥,主跨为334米;1971年英国建成的厄斯金钢斜拉桥,主跨305米;1975年法国建成的圣纳泽尔桥,主跨404米。这座桥的拉索采用密束布置,使节间长度减少,梁高减低,梁高仅3.38米。目前通过对钢斜拉桥抗风抗震性能的改进,其跨径正在逐渐增大。钢桥的基础多用大直径桩或薄壁井筒建造。
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