談橋梁的興起與發展

王 娟

(成都師范學院土木系，四川成都 611130)

縱觀橋梁的發展歷程，不難看出它是人們智慧的結晶，是從失敗中不斷總結經驗教訓，一步一步走過來才取得今天的成績。

從建橋材料上來說，古代的橋梁采用的建橋材料十分有限，有石頭、木材、樹藤、鐵鏈等，用這些材料人們只能建造小跨度載重小的橋。橋梁發展到今天的大跨度、重載經歷了一個漫長的時期。

1779年由于工業革命的需要，在英國什羅普郡鄉間要建造跨越塞文河的30 m長的橋梁。然而這在當時是一個巨大的難題。因為當時常用的建橋材料根本建不出30 m跨度的橋，也就是說在此之前世界上根本沒有達到30 m跨度的橋。當時常用的建橋材料是石塊，可是用它建造30 m跨度的拱橋，橋梁會被它巨大的自重壓垮，再加上建橋技術的限制，如果沒有新的突破，根本建不出預期中的橋。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(見圖1)，有木橋的痕跡，因為它在部件之間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。

現在不同時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展起來的。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爾蘭之間177 m的梅奈海峽上建一座橋，在當時是橋梁跨度上質的飛躍。建橋者沒有選擇拱橋，而是選擇了吊橋。1826年英國的梅奈海峽橋誕生了，它采用鍛鐵為建橋材料，是現代吊橋的第一個杰作，開啟了吊橋向大跨度邁進的第一步。除跨度外，梅奈海峽橋為現代吊橋做出的另一個貢獻是采用了索塔將橋面撐起，使得車輛可以行駛在上面，在此之前吊橋只是用來供行人通過。

如果說梅奈海峽橋開啟了吊橋向大跨度邁進的第一步，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的第一步。該橋用于要承受火車荷載，載重是空前的，建橋者面臨的挑戰也是空前的。智慧的人們發現一束拉細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了，第一列由美國駛往加拿大的火車順利通過該橋。

然而從鐵發展到鋼，實現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時世界上跨度最大的懸索橋。可是，就在橋梁建造的過程中甚至在建成之后，當地的市民議論紛紛，大家都在說這座橋會垮，不安全。因為跨度太大了，他們對建橋所用的材料憂心忡忡。在平爐煉鋼實現后，這是第一次將鋼用于橋梁，這正是人們擔心的地方。可是建造者信心滿滿，因為他知道在受力上鋼的性能優于鐵，這座橋是安全的。經過時間的考驗，至今屹立在紐約的這座橋向世界人們證實了它的成功。

混凝土這種建橋材料雖然在古羅馬時期就有了，可是由于配方失傳，直到后來的19世紀才開始應用于橋梁。雖然今天用混凝土建造的橋梁在跨度上遠遠不及鋼材，但是無論是造價，還是耐久性上它都有自己的獨特優勢。1962年委內瑞拉建成的馬拉開波橋主跨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)主跨達到530 m。用混凝土代替石塊建橋推動了橋梁的發展，讓人們用較低的價格就可以建造使用很久的橋梁，且養護費用比鋼橋低得多。

然而失敗是成功之母，橋梁發展到今天也經歷了無數的波折。

美國1940年完工的主跨853 m的懸索橋，即舊塔科馬橋(Tacoma Narrows)，在完工后就不穩定，被人們稱作“奔馳的馬駒”。只使用了3個月，便在19m/s左右的風速下垮塌了(見圖2)。19 m/s的風速是常見的強風，這么普通的風都可以摧毀一座橋。那么海邊的臺風在摧毀房屋、樹木的同時，當然也可以摧毀橋梁。這一風毀橋事件引起了人們的重視，開啟了人們對橋梁結構抗風的研究。結果表明，大跨度的懸索橋雖然跨度大，但它的剛度卻不大，剛度小的橋梁在風荷載的作用下像隨風擺動的柳條一樣會發生晃動，雖然沒有柳條動得那么劇烈，但后果是毀滅性的。舊塔科馬橋是當時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恙。原來是相對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的通行，抗風穩定性太差。在吸收了舊塔科馬橋失敗經驗的基礎上，新塔科馬橋誕生了，重建的新塔科馬橋彌補了舊塔科馬橋的缺陷，代替舊塔科馬橋繼續為人們服務。今天我們建造大跨度橋梁在進行抗風穩定性計算之外還進行風洞試驗，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 舊塔科馬橋被風吹毀

1907年加拿大魁北克(Quebec)鋼懸臂桁架梁橋在施工時突然發生垮塌。究其原因，發現了一個以前人們從不知道卻真實存在的設計缺陷，那就是壓桿失穩問題。由于這一時期，類似橋梁事故的發生，使橋梁穩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就存在的很小的裂紋，后來在裂紋處發生銹蝕，銹蝕使得裂紋擴大，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，也會在一定程度上損壞橋梁，降低橋梁的使用壽命，造成經濟損失。我國早期建造的斜拉橋，就有由于防護不盡完善而引起斜拉索嚴重銹蝕的，如廣州海印橋的斜拉索已被迫全部更換。橋梁發展的腳步沒有就此停住，防止鋼材銹蝕的方法多種多樣。

如對鋼絲鍍鋅，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、彈性環氧產品等包裹，外面設置防護管道。新的更好的防護方法也不斷出現。如對懸索橋大纜的防護可采用干空氣導入法，這種方法首次在日本采用，后來我國的潤揚大橋也采用了此法。橋梁建造和發展過程中遇到過各種各樣的難題，除上面提到的大跨度、抗風等，如橋梁的抗撞，橋梁抗震等都可能阻礙橋梁發展的腳步;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計、建造、養護維修時既要發揮才智又要小心、謹慎，盡量排除各種不利因素，克服重重困難，在解決問題過程中不斷進步，推動橋梁事業的發展。

［1］李亞東．橋梁工程概論［M］．第2版．南京:西南交通大學出版社，2006．

［2］嚴國敏．現代懸索橋［M］．北京:人民交通出版社，2002．