近代橋梁工程的發(fā)展

近代橋梁工程的發(fā)展

0追求與夢(mèng)想并重橋梁的建設(shè)與人類文明的發(fā)展密切相關(guān)，也是人類文化的重要組成部分。建造橋梁,跨越障礙,是人類不懈的追求與夢(mèng)想。毛主席曾有詩(shī)云:一橋飛架南北,天塹變通途。今天的橋梁不僅可以實(shí)現(xiàn)人類跨越大山大河的夢(mèng)想,它還可以極大地改善城市的交通狀況,有的還是城市特有的一道亮麗風(fēng)景。橋梁的發(fā)展歷史也是一部科技的發(fā)展歷史,它始終緊跟科學(xué)技術(shù)發(fā)展的步伐,不斷創(chuàng)新,產(chǎn)生了一次次的飛躍。1橋梁工程發(fā)展概述距今約三千年時(shí),我國(guó)已掌握架設(shè)大型浮橋的技術(shù),在寬闊的渭河上架設(shè)浮橋。至18世紀(jì)前,橋梁建筑大都以石料、鐵、木材為主要的建材,其中以趙州橋和大渡河鐵索橋(見圖1和圖2)為典型代表,體現(xiàn)了古代中國(guó)橋梁的偉大成就。趙州橋原名安濟(jì)橋,建于隋代,橋全長(zhǎng)約50.82米,拱矢高7.23米,是我國(guó)現(xiàn)存的石拱橋中最古老并為當(dāng)時(shí)跨徑最大的石拱橋,且是世界橋梁史上敞肩拱的首創(chuàng)。瀘定橋建于清康熙年間,水平跨度100米,橋梁寬度2.9米,跨度超越了19世紀(jì)歐洲和北美所建造的第一批這種類型的鐵橋,且在250年后的今天仍在使用中。18世紀(jì)以后,歐洲進(jìn)入工業(yè)社會(huì),開始進(jìn)行大規(guī)模的鐵路橋梁建設(shè),這是現(xiàn)代橋梁的開端。19世紀(jì),波特蘭水泥、現(xiàn)代鋼材在歐洲出現(xiàn),土木工程實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍,橋梁結(jié)構(gòu)形式及規(guī)模有了突破,混凝土橋和鋼橋的發(fā)展獲得了空前的發(fā)展。迄今,以美國(guó)布魯克林懸索橋及英國(guó)福斯懸臂桁架橋(見圖3)為標(biāo)志的橋梁建筑仍散發(fā)著西方工業(yè)文明的氣息。其中,福斯鐵路橋建于1890年,是跨越福斯灣海峽上的第一座橋梁,結(jié)構(gòu)體系新穎,采用“紡錘型”桁架形式,施工歷時(shí)七年,動(dòng)用了四千多名工人,高空施工犧牲98人,并造成了數(shù)百名人員傷殘。20世紀(jì)初,預(yù)應(yīng)力混凝土研制成功,開始了預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的時(shí)代,結(jié)構(gòu)開始向大跨度結(jié)構(gòu)發(fā)展。30年代起世界上掀起了建設(shè)大跨懸索橋的高峰,50年代斜拉橋結(jié)構(gòu)得以初現(xiàn)光芒并很快波及世界橋梁工程界。60年代日本、丹麥開辟了興建跨海工程的先河。80年代初,我國(guó)迎來(lái)了改革開放的新時(shí)期,加快了基礎(chǔ)建設(shè)的步伐。特別是近十年,我國(guó)建成了代表當(dāng)今世界橋梁最高發(fā)展水平的一大批斜拉橋和懸索橋(見圖4和圖5),從此確定了中國(guó)在世界橋梁工程界的地位。2008年我國(guó)建成的跨徑1088m的蘇通大橋是當(dāng)今世界跨度最大的斜拉橋,創(chuàng)造了最大跨度、最深基礎(chǔ)、最高橋塔、最長(zhǎng)拉索四項(xiàng)世界之最;2009年建成的西堠門大橋主跨1650米,是目前世界上跨度第二的懸索橋,且是世界上最大跨度的鋼箱梁懸索橋。步入新世紀(jì),以碳纖維為代表的高級(jí)復(fù)合材料、光纖傳感技術(shù)、智能化施工等新技術(shù)正逐步滲透到橋梁工程領(lǐng)域之中,各種組合結(jié)構(gòu)、輕型結(jié)構(gòu)異軍突起。從橋梁發(fā)展的歷史過(guò)程可以看出,橋梁從3000年前發(fā)展到今天,始終與新材料和新技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。目前,橋梁工程學(xué)科已發(fā)展成為融理論分析、設(shè)計(jì)、施工控制及管理于一體的系統(tǒng)性學(xué)科。由于科技的進(jìn)步,一些相關(guān)的學(xué)科也滲透到橋梁工程領(lǐng)域中,發(fā)展了新的分支學(xué)科,如橋梁抗風(fēng)、抗震、橋梁CAD、橋梁的施工控制以及橋梁檢測(cè)技術(shù)等等。此外,橋梁學(xué)科與建筑、藝術(shù)、材料、電氣化等學(xué)科的交叉發(fā)展也愈來(lái)愈多。2橋梁科學(xué)的前沿2.1跨海大橋設(shè)施的建設(shè)跨海大橋是橋梁工程中最具有挑戰(zhàn)性的工程。跨海大橋往往跨度大,自身結(jié)構(gòu)受力性能復(fù)雜,同時(shí)復(fù)雜的自然環(huán)境給施工帶來(lái)許多限制和難題。但跨海大橋的修建對(duì)于改善橋兩端地區(qū)的交通狀況具有極其重要的戰(zhàn)略意義,同時(shí)能夠極大地帶動(dòng)附近區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,因此不少國(guó)家從上世紀(jì)六十年代開始陸續(xù)修建跨海大橋,以便將本國(guó)的領(lǐng)土乃至世界五大洲連接起來(lái),形成一個(gè)世界范圍內(nèi)的交通網(wǎng)。其中,以美國(guó)1937年建成的金門大橋(見圖6)和日本1998年建成的日本明石海峽橋(見圖7)最為著名。盡管目前橋梁建造技術(shù)有了極大地發(fā)展,但是在跨海大橋的建設(shè)中,仍存在如何確定最佳橋位、突破現(xiàn)有的測(cè)量手段、抵抗海水侵蝕提高耐久性、深水基礎(chǔ)的施工以及海上施工機(jī)械的研發(fā)等大量尚待解決的問(wèn)題。2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要方向和研究方向橋梁動(dòng)力學(xué)問(wèn)題主要包括橋梁抗風(fēng)、橋梁抗震和車振效應(yīng)這三個(gè)方面,這三個(gè)方面的研究目前都很活躍,處在學(xué)科研究的前沿。人們對(duì)橋梁抗風(fēng)問(wèn)題的研究始于1940年美國(guó)華盛頓州新建的塔科馬橋(Tacoma)毀于暴風(fēng),至此人們才發(fā)現(xiàn)風(fēng)振對(duì)大跨度橋梁的影響,掀開了有關(guān)橋梁抗風(fēng)理論研究的序幕。多年來(lái),關(guān)于橋梁對(duì)風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)的分類,已經(jīng)取得較為一致的認(rèn)識(shí),目前的研究主要集中在動(dòng)力失穩(wěn)(主要是顫振)和紊流響應(yīng)(抖振)方面。橋梁抗震領(lǐng)域,如何尋求有效的手段來(lái)抵抗地震對(duì)橋梁的破壞,是目前研究的主要方向。目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法正從傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論向延性抗震理論過(guò)渡,以期能解決地震中常出現(xiàn)的落梁、基礎(chǔ)破壞等現(xiàn)象。自上世紀(jì)60年代起,隔震、減震方面的研究日趨活躍,減隔震裝置的研究也成為研究的熱點(diǎn)。列車在通過(guò)橋梁時(shí)將引起橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng),而橋梁的振動(dòng)又反過(guò)來(lái)會(huì)影響車輛的振動(dòng),這種相互作用、相互影響的問(wèn)題就是車輛與橋梁之間振動(dòng)耦合的問(wèn)題。同時(shí),軌道不平順也影響到車-橋的振動(dòng),形成列車-軌道-橋梁的大系統(tǒng)動(dòng)力相互作用問(wèn)題。一百多年來(lái)關(guān)于列車—橋梁振動(dòng)的研究表明了車橋振動(dòng)這一問(wèn)題的復(fù)雜性與困難性。尤其目前我國(guó)正在進(jìn)行高速鐵路的大規(guī)模建設(shè),高速鐵路列車時(shí)速高達(dá)350km/h,它引起橋梁振動(dòng)的主要因素和振動(dòng)機(jī)理與中低速情況有很大差別,因此,橋梁設(shè)計(jì)除采用靜態(tài)計(jì)算外,還須進(jìn)行車-線-橋耦合振動(dòng)分析,以保證在高速行車下司機(jī)和旅客的安全性和舒適性。2.3維護(hù)、養(yǎng)護(hù)和加固橋梁學(xué)科橋梁設(shè)計(jì)有設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期,也就是說(shuō)所有的橋梁都有一定的壽命,因此橋梁的維修、養(yǎng)護(hù)和加固是橋梁學(xué)科里不可或缺的一部分。既有橋梁維修加固的核心問(wèn)題是對(duì)現(xiàn)有橋梁的力學(xué)性能的評(píng)估。其研究?jī)?nèi)容包括對(duì)橋梁剩余壽命的評(píng)估、對(duì)橋梁損傷程度的評(píng)估、對(duì)橋梁承載能力的評(píng)估和加固方法的確定。2.4施工控制系統(tǒng)研究為了確保橋梁在施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)受力和變形始終處于安全范圍,且成橋后橋梁的線形及受力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求,在橋梁施工過(guò)程中必須進(jìn)行嚴(yán)格的施工控制。目前世界橋梁正在向更大的跨度挑戰(zhàn),為了確保這些巨型結(jié)構(gòu)的安全,研究開發(fā)一種智能化的施工控制系統(tǒng)有著極其重要的社會(huì)意義和良好的市場(chǎng)前景。目前國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行該技術(shù)的研究,主要內(nèi)容包括數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)雙向傳輸系統(tǒng)、智能參數(shù)識(shí)別系統(tǒng)與計(jì)算分析與決策控制系統(tǒng)等方面,以實(shí)現(xiàn)橋梁施工控制的高精度、高智能與高效率。3施工技術(shù):nmf智能檢測(cè)本世紀(jì)以來(lái)橋梁工程已發(fā)展成系統(tǒng)性的工程學(xué)科,主體框架已構(gòu)筑完畢,但遠(yuǎn)未完善?？梢灶A(yù)見,未來(lái)的世紀(jì),這些分支將得以獨(dú)立發(fā)展并逐漸成熟,同時(shí)也會(huì)相互滲透。隨著計(jì)算機(jī)微處理器技術(shù)的迅猛發(fā)展,橋梁工程將面臨新的發(fā)展機(jī)遇。集結(jié)構(gòu)分析、工程制圖、工程數(shù)據(jù)庫(kù)及專家系統(tǒng)的橋梁CAD軟件將有可能問(wèn)世,我們將邁入橋梁設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。橋梁智能化控制技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展。GPS(GlobalPositioningSystem)技術(shù)和智能化施工技將應(yīng)用于橋梁的勘測(cè)和施工,實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂茮Q策的即時(shí)化與智能化。在使用階段,可以通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)來(lái)保證橋梁的安全和正常運(yùn)行。橋梁抗風(fēng)領(lǐng)域,大跨度橋梁風(fēng)致振動(dòng)控制技術(shù)將成為研究的熱點(diǎn),試驗(yàn)仍將以風(fēng)洞為依托。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷更新進(jìn)步,數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)可望有突破。延性抗震將成為橋梁抗震的新理念,粘滯阻尼器、鉛芯橡膠支座將廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)抗震中,抗震將作為一種設(shè)計(jì)理念融合在橋梁的設(shè)計(jì)當(dāng)中。光纖傳感技術(shù)的發(fā)展將給橋梁健康監(jiān)測(cè)與檢測(cè)注入了新的活力,此外,無(wú)損檢測(cè)、FRP等橋梁修復(fù)新工藝和新材料也將得到廣泛的應(yīng)用。對(duì)于日漸擁擠的現(xiàn)代城市,既有橋梁的加固既能確保城市交通的安全通順暢行,又能節(jié)省社會(huì)資金,作用日益突出。舊橋加固檢測(cè)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用將成為下一世紀(jì)橋梁工程領(lǐng)域的另一道風(fēng)景線。橋梁的設(shè)計(jì)更加注重景觀設(shè)計(jì)。橋梁等大型工程建設(shè)既要重視質(zhì)量又要重視景觀和環(huán)境保護(hù),優(yōu)秀的橋梁設(shè)計(jì)不但要滿足交通功能的要求,而且要與周圍的環(huán)境相協(xié)調(diào),并能體現(xiàn)所在城市的特色,代表其特有的文化,和整個(gè)城市融為一體,成為一道獨(dú)具特色的建筑“藝術(shù)品”(見圖8)。1932年建成的悉尼海灣大橋(見圖8)就是橋梁與城市融合的最佳典范,它已經(jīng)成為悉尼的標(biāo)志和象征。隨著人類對(duì)地球生態(tài)平衡、自然環(huán)境及資源的日益重視,關(guān)注橋梁的耐久性能,節(jié)約資源,利用再生資源和綠色資源,走可持續(xù)發(fā)展的道路是未來(lái)橋梁工程發(fā)展的必然。4我國(guó)橋梁發(fā)展面臨的問(wèn)題橋梁建設(shè)代表了一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平及綜合國(guó)力。從古至今橋梁的建設(shè)水平都是衡量人類利用自然、戰(zhàn)勝自然重要標(biāo)志,毫無(wú)例外,哪里的橋梁建設(shè)科學(xué)和水平越發(fā)達(dá),那里的文化及文明程度就越優(yōu)越,經(jīng)濟(jì)就越發(fā)達(dá)。雖然近年來(lái)我國(guó)的橋梁建設(shè)突飛猛進(jìn),修建了一大批代表世界先進(jìn)水平的大橋,但橋梁的理論研究和綜合實(shí)力與世界先進(jìn)水平相比還有差距,真正屬于自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)的東西還不多,在橋梁的品質(zhì)、使用性能、后期維修養(yǎng)護(hù)與管理等方面也與國(guó)外橋梁建設(shè)先進(jìn)水平之間有一定的差距。第一,我國(guó)在科研方面的投入太少,以致橋梁設(shè)計(jì)、施工方面的規(guī)范更新很慢,不能及時(shí)反應(yīng)并解決當(dāng)前遇到的問(wèn)題,不能很好地指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。第二,工程材料相對(duì)落后。我們現(xiàn)在使用的橋梁建材與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家橋梁建材相比強(qiáng)度低、性能差。我國(guó)是鋼材生產(chǎn)大國(guó),鋼產(chǎn)量為世界第一,但我們現(xiàn)在普遍使用的還是Q345鋼,而日本、美國(guó)等早已廣泛采用高強(qiáng)度鋼和耐候鋼了。同樣我國(guó)也是水泥生產(chǎn)大國(guó),但大多結(jié)構(gòu)仍采用C50標(biāo)號(hào)以下的混凝土,高性能混凝土的研究開發(fā)和使用還很少。由于材料的限制,目前國(guó)外最新設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)看上去都很輕靈纖細(xì),我們的橋梁結(jié)構(gòu)則顯得笨拙。第三,缺乏先進(jìn)機(jī)械設(shè)備。機(jī)械設(shè)備的落后在一定程度上制約了施工能力,不僅許多好的設(shè)計(jì)方案因施工能力達(dá)不到而無(wú)法實(shí)現(xiàn),施工的質(zhì)量也遠(yuǎn)不及發(fā)達(dá)國(guó)家,施工的安全得不到足夠的保障。第四,自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力不強(qiáng)。雖然國(guó)內(nèi)也修建了一批大跨度高難度的斜拉橋和懸索橋,但是這些大跨橋梁的計(jì)算理論、施工方法、總體方案及構(gòu)造細(xì)節(jié),大多是采用或參考、模仿國(guó)外先進(jìn)橋梁。在大跨斜拉橋和懸索橋中,幾乎所有的重大技術(shù)進(jìn)步,都是國(guó)外最先提出并采用的。我們?cè)跇蛄涸煨汀⒃O(shè)計(jì)理念、仿真計(jì)算、材料研發(fā)及施工工藝方面的創(chuàng)新能力亟待加強(qiáng)。第五,橋梁安全性與耐久性問(wèn)題突出。目前我國(guó)修建的一些橋梁過(guò)早地進(jìn)入了“老年階段”,有些橋梁遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限即已成為危橋,安全性存在隱患。這是由于我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)和施工的時(shí)間過(guò)短,而且養(yǎng)護(hù)維修系統(tǒng)不健全造成的。過(guò)分地追求建設(shè)速度,會(huì)使橋梁設(shè)計(jì)、施工水平大打折扣;不重視橋梁的日常養(yǎng)護(hù)和維修,將使橋梁過(guò)早地出現(xiàn)病害,影響交通運(yùn)行且造成資金和資源的巨大浪費(fèi)。第六,橋梁美學(xué)及環(huán)境保護(hù)重視不夠。長(zhǎng)期來(lái)中國(guó)的橋梁建設(shè)追求高速度和實(shí)用主義,對(duì)于橋梁景觀方面的設(shè)計(jì)考慮較少,起步比較晚,技術(shù)也比較薄弱。近年來(lái),橋梁景觀的重要性日益凸顯,景觀設(shè)計(jì)往往成為決定工程是否中標(biāo)的關(guān)鍵因素。5建設(shè)創(chuàng)新型橋梁的需要回顧橋梁工程的發(fā)展歷程,我們?yōu)樽鎳?guó)在橋梁建設(shè)中的進(jìn)步和成就而驕傲,同時(shí)作為新世紀(jì)的橋梁工作者,我們更應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到我國(guó)的橋梁學(xué)科體系尚待充實(shí)與完善,我國(guó)的橋梁建設(shè)水平還需要加大科學(xué)研究與技術(shù)創(chuàng)新。現(xiàn)代橋梁工程的價(jià)值源于創(chuàng)新精神。材料的創(chuàng)新可以推動(dòng)橋梁結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展,施工設(shè)備的升級(jí)換代關(guān)系到施工水平和技術(shù)。我們要克服因循守舊,不