桥梁建设早期，铁只能用作受压构件。钢材性能的提高，特别是抗拉强度提高，使得大跨梁桥成为可能。此时木桥建造技术已相当发达，特别是各种结构形式的桁架桥，因此钢桥发展初期大量吸收木结构建造的经验。因此首先简短概述木桥的发展。
1.木 桥
古罗马人（恺撒和图拉真时期）在莱茵河和多瑙河上曾修建了跨度较大的木桥，中世纪木桥变得非常流行，但很少能保存下来。意大利建筑师帕拉第奥（Andrea Palladio）首次对静定结构进行了系统研究，设计了不同形式的桁架和框架结构，后来被称为帕拉第奥式桥（Palladian Bridges）。
木桥全盛期在18世纪后半期，许多人如瑞士的顾本门（Grubenmann）和里特（Ritter）、法国的戈泰（Gauthey）和德国的韦伯金（Carl Friedrich von Wiebeking）提出了许多跨度超过100 m的结构形式。此后木桥的发展转移到美国，但美国缺少有经验的木匠，只能使用标准化预制梁段和简易接头建造桥梁。尽管如此，美国还是建造了很多大跨桥梁，尤其是铁路桥，主要桥梁形式为桁梁桥（图1.13）或被广泛使用的由汤（Town）发明的横向预应力桁架梁（图1.14）。许多木结构设计应用于钢桁架桥中，直到19世纪末因钢材性能提高，木桥才逐步被钢桥取代。
图1.13 高架桥结构
图1.14 横向预应力桁架梁
19 世纪前半期，钢桥一般采用桁架结构，尤其在美国，主要原因是桁架结构成本低。但由钢板组成的箱梁桥在欧洲也有一定的发展，如英国不列颠尼亚桥。1844年，罗伯特·史蒂芬森（Robert Stephenson，乔治·史蒂芬森之子）负责连接伦敦和威尔士北部安格尔西岛的铁路线上跨越梅奈海峡（Menai Straits）和康威河的桥梁工程。与其父自学成才不同，罗伯特·史蒂芬森接受了良好的教育，27 岁时便开始管理他父亲的机车工厂，同时成为英国著名的铁路和桥梁工程师。梅奈海峡桥备选方案有拱桥和链杆悬索桥（托马斯·泰尔福曾于 20年前在同一地点采用此桥型），史蒂芬森通过对圆形、椭圆形和矩形箱形梁的1∶6模型的试验后发现：使用矩形箱形梁跨度可达 142 m。于是他决定采用矩形截面箱梁（宽 4.4 m、高9 m），列车从箱形梁内部通过（图1.15 和图 1.16）。该桥为四跨连续梁（70 m＋142 m＋142 m＋70 m），耗费锻铁10 000 t、铆钉350 万颗。单跨梁段在岸边预制，然后船运并吊装至设计位置。梁体的制作和拼装都有创新。当不列颠尼亚桥在1850年竣工时，史蒂芬森并未意识到他对箱梁桥建设发展的贡献。90年后才出现第二座相同跨度的箱梁桥。不列颠尼亚桥完美服役了120年，直到1970年毁于一场大火。同一时期，史蒂芬森还在康威河上修建了第二座箱梁桥，但跨度比不列颠尼亚桥稍小。
图1.15 建设中的梅奈海峡桥
图1.16 梅奈海峡桥截面
2.直线桁架梁桥
如前所述，美国钢桁梁桥深受木桁架结构的影响。尤其前期只有使用平板构件时，为减小板的屈曲长度，汤设计了格构梁，其表现出良好的静力性能，不久便应用于大跨桥梁。其中跨度最大的是德国1857年建成的维斯瓦河上的特切夫桥（Dirschau Bridge，今波兰），如图1.17，是由伟大桥梁工程师卡尔·伦茨（Karl Lentze）修建的6跨（每跨131 m）单线铁路桥，采用密集格构梁结构，他的设计深受不列颠尼亚桥的影响，如箱形截面和支柱式桥塔。但特切夫桥锻铁用量较低，每米8.3 t，而不列颠尼亚桥每米12.5 t。
图1.17 特切夫桥
第一座现代锻铁桁架桥是1862年竣工的瑞士弗里堡格蕾菲高架桥（Grandfey Viaduct），每跨49 m，共7跨，架设方法是桥墩上顶推施工，如图1.18，尽管结构形式上与美国木制高架桥（图1.13）很相似，但它是第一座真正的现代桁架铁桥。新的结构分析方法推动了桁梁桥进一步发展。德国工程师卡尔·库尔曼（Karl Culmann）曾去美国展示他提出的新的木桥和铁桥结构形式，还发展了图解结构分析方法，并于1860年在苏黎世联邦理工学院任教时发表了这些成果，为桁梁桥设计提供了坚实的理论支撑。当时典型的桁梁桥是维也纳施塔德劳的多瑙河桥，建于 1870年，5跨连续梁桥，每跨80 m，图1.19为其施工过程。
图1.18 格蕾菲高架桥
图1.19 多瑙河桥
埃菲尔将桁梁桥发展到极致，他为法国和葡萄牙建造了大量铁路桁架梁桥，如葡萄牙贝拉—阿尔塔（Beira-Alta）线上的特雷佐伊桥（Trezoi Bridge，1879—1881年，图1.20）。其中最大跨桁梁桥是埃沃莱班（Évaux-les-Bains）附近的塔尔代桥（Viaduc de la Tardes），主跨105 m（72 m＋105 m＋72 m）。欧洲铁路直线桁梁桥形式多样，但倾向于更简单的静定结构，如三角桁架，例如建成于1938年的德国卡尔斯鲁厄（Karlsruhe）的莱茵河桥，如图 1.21，为公铁两用桥，跨度为 175 m 和117 m。
图1.20 特雷佐伊桥
图1.21 莱茵河桥
3.曲线桁架梁桥
为提高桁架各杆件经济性，出现了各种曲线桁架梁，如抛物线梁和鱼腹梁。鱼腹梁在德国被称作泡利梁（Pauli Girder），此类梁受力均匀，弦杆轴力沿桥长几乎不变，由铁路工程师弗里德里希·奥古斯特·冯·泡利（Friedrich August von Pauli）提出，他后来成为慕尼黑工业大学教授。第一座泡利梁桥是建成于 1857 年的跨越慕尼黑伊萨尔河（Isar）的铁路桥，跨度为 53 m，如图1.22，由海因里希·戈贝尔（Heinrich Gerber，1832—1912年）设计建造，他后来成为德国一位伟大的桥梁工程师。戈贝尔为泡利梁的设计和分析做出了重要贡献，尽管他因悬臂梁桥而闻名于世。19世纪德国伟大的桥梁工程师施威德勒（Johann Wilhelm Schwedler）设计了德国广泛使用的抛物线桁架梁，也被称作Schwedler梁，其斜杆不受压。
图1.22 伊萨尔河铁路桥
普利茅斯索尔塔什铁路桥是一座大跨鱼腹形梁桥，也被称作皇家艾伯特桥（Royal Albert Bridge，图1.23和图1.24），建成于1859年，共两跨，每跨139 m，上弦杆为铆接板组成的椭圆形截面（长轴 5.2 m，短轴 3.7 m），下弦杆由铁链组成。由于施工困难，这种类型桥梁没有继续发展。该桥由英国著名铁路工程师伊桑巴德·金德姆·布鲁内尔建造，他是当时最富创造性的工程师之一，他父亲修建了第一座通过英国泰晤士河的隧道。布鲁内尔在法国完成学业后，成为泰晤士河隧道工程项目的一名助理工程师。后来他修建了两座链杆悬索桥，还为跨越大西洋设计了第一条最大的蒸汽船，同时他还参与了许多土木工程项目。
鱼腹梁因在施工方面有许多优势，被广泛应用于德国桥梁，如维斯瓦河上的特切夫二桥，由施威德勒于1891年建成，为6跨双线铁路桥，每跨131 m，结构用钢量和1857年建成的特切夫一桥（单线铁路桥）基本相同，如图1.25。
图1.23 皇家艾伯特桥
图1.24 建设中的皇家艾伯特桥
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图1.25 特切夫二桥
德国桥梁工程师赫曼罗斯（Hermann Lohse）还设计了双拱桁架梁（Double Bow Girder Bridge），又称为罗斯（Lohse） 梁。双拱桁架梁是介于鱼腹梁和系杆拱结构之间的结构形式，由两个垂直构件连接的桁架弦杆组成。最著名的桥例是 1872—1892 年间修建于汉堡的 5 座易北河桥（Elbe Bridges）。这些桥梁结构相似，都是3～4跨，每跨约100 m，如图1.26和图1.27。
图1.26 易北河桥
图1.27 易北河桥
抛物线形桁架体系也被广泛采用，尤其是在德国大跨铁路桥中。建于1868年的荷兰库伦博格（Culenborg）附近的莱克桥（Lek Bridge）长期以来都是此类桥梁中跨度最大的，也是首次采用钢材的桥梁，由德国工程师卡斯帕·哈尔科特（J. Caspar Harkort）修建，主跨为 155 m，跨中梁高20.5 m，如图1.28。
图1.28 莱克桥
4.悬臂桁梁桥
19世纪前期几乎所有桥梁都是简支梁，即使是多跨桥在桥墩处也会被分成简支形式。当然，当时的工程师不敢利用连续梁桥的超静定行为的优势，也许他们也清楚基础沉降会给连续梁带来不利影响。德国的海因里希·戈贝尔提出了在连续梁设铰（一般在零弯矩点处），可以消除基础沉降的影响，这种梁被称为戈伯尔梁（Gerber Beam）。海因里希·戈贝尔是德国最著名的桥梁工程师之一，任职于巴伐利亚皇家铁路局，管理德国著名钢结构公司，第一个提出了铁路桥疲劳设计准则（S-N曲线），为钢桥发展做出了非常重要的贡献。
基于戈贝尔梁的设计原则，后来发展了悬臂桁架梁桥，通过在桥墩处增大桁架梁高，无须临时支架，悬臂就可以直接拼装到跨中，因此对深水桥梁非常有利。苏格兰福斯桥是最著名的悬臂梁桥之一，修建于 1883—1890 年，主跨为 521 m，是世界最长的悬臂桁梁桥，如图1.29。福斯桥首先由托马斯·鲍奇完成设计。他是一位著名桥梁工程师，设计了总长3 200 m的泰河铁路桥。该桥为多跨桁架桥，主跨 75 m，1879年由于强风暴而垮塌，垮塌时一辆火车正通过桥梁，造成72人死亡，因此鲍奇无法继续福斯桥的工作。接手福斯桥的本杰明·贝克（Benjamin Baker）和福勒（J. Fowler）不得不向公众展示他们的静定结构设计原则并证实结构的安全性，如图1.30。这座桥被认为是宏伟的工程杰作，桥墩处桁高106 m，主要管件直径3.7 m，全桥共用42 000 t钢，施工现场最多时有4 600名工人进行施工，如图1.31。福勒是著名铁路工程师，是伦敦地铁建设的先驱，后被选为英国土木工程师协会主席。加拿大圣劳伦斯河上的魁北克桥吸收了福斯桥的建设经验。魁北克桥也是悬臂梁桥，结构形式与福斯桥很相似，主跨为 549 m，跨度仅比福斯桥大27 m，历经12年于1917年竣工，施工过程中还出现2次垮塌事故，这表明悬臂桁架桥跨度已经达到了理论和实践的极限。1940年建成的加尔各答豪拉大桥（Howrah Bridge），主跨为 455 m，是第四大悬臂梁桥，如图 1.32。尽管后来还出现悬臂桁架桥梁，但已经不是完全的悬臂结构了。
图1.29 福斯桥
图1.30 贝克和福勒展示福斯桥结构设计
图1.31 福斯桥施工过程
图1.32 豪拉大桥
关于桁架桥在美国的发展情况，斯夸尔·惠普尔（Squire Whipple）基于木桁架桥的经验，发展了铸铁和锻铁桁架桥的分析和设计方法，成为“铁桁架桥之父”。1841 年，他的第一座抛物线形桁架桥建成，随后被广泛应用。1847 年，他出版了关于桥梁建设的书籍并提出了梯形桁架桥，被称作惠普尔桁架。惠普尔于 1852—1854年修建了两座跨度为 45 m 的铁路桥，弦杆由锻铁连杆组成。随后几年，林维尔（Linville）把这种弦杆逐步更换为钢眼杆，跨度得以增大，跨度最大的桥梁为1876年建成的辛辛那提俄亥俄河上的铁路桥，主跨为 155 m。当时最大的简支桁架桥是一座跨越辛辛那提俄亥俄河的弓弦式（Bow-string）桁架桥，由布斯卡伦（Bouscaren）于1888年建成，跨度为 165 m。1877—1889年，美国还修建了主跨达165 m的悬臂梁桥，这些桥采用临时支架架设，例如横跨肯塔基河的高桥（High Bridge）和波基普西的哈德逊河大桥（Walkway over the Hudson）。
5.箱梁桥
不列颠尼亚桥之后，箱梁桥跨度一般不超过30 m。但焊接工艺的发展为钢桥建设注入了新的活力。焊接技术始于1925年，对钢桥产生了很大的影响，特别是公路桥。在经历了20世纪30年代的脆断事故后，桥梁跨度快速增长，如1948年建成的莱茵河上的道伊泽尔桥（Deutzer Brücke），跨度为99 m＋196 m＋99 m，如图1.33。
图1.33 道伊泽尔桥
6.系杆拱桥
系杆拱桥类似梁式结构，主拱与曲线桁架的上弦杆行为相似，而桥面系（Deck Girder）则相当于下弦杆。拱和桥面系由吊杆相连，和真正的桁架结构相比，当单跨桥面很宽或承受很大荷载时，这种结构具有很大优势。系杆拱桥归类为梁桥是因为其主要静力行为更倾向于梁而不是拱，例如当受到竖向作用时，竖向作用被传递给桥台。这种桥梁在过去经常使用，尤其是荷载较大的铁路桥。第一座大跨桥是1899年修建在汉堡的易北河（Elbe River）上的桥，共4跨，每跨100 m。1906—1910 年，德国科隆的霍亨索伦桥（Hohenzollern Bridge）建成，跨度为 102 m＋165 m＋102 m，如图1.34。1915年，易北河铁路桥的老旧罗斯型梁需要更换时，也采用了系杆拱桥，如图1.35。
图1.34 霍亨索伦桥
图1.35 更换为系杆拱的易北河铁路桥
7.斜拉桥
和系杆拱桥类似，斜拉桥也被归为梁式结构。斜拉桥力学行为本质上是弹性支承的连续梁。斜拉索沿桥面在索梁连接处提供弹性支承，只有竖向作用传递到基础，因此可以实现大跨。斜拉桥是近几十年才得到蓬勃发展的桥梁形式，源于德国，第一座斜拉桥为1957年建成的杜塞尔多夫的西奥多霍伊斯桥（Theodor Heuss Bridge），跨度为108 m＋260 m＋108 m。此后莱茵河上修建了很多斜拉桥，只是桥塔和斜拉索布置不同，例如西奥多霍伊斯桥的索面为竖琴形（图1.36），而波恩北桥（North of Bonn Bridge）的索面为密索扇形索面（图1.37）。
图1.36 西奥多霍伊斯桥
图1.37 波恩北桥
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