演變中的橋梁技術(shù) 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 橋 風(fēng)物 人類是模仿自然的能手，我們的祖先，有幸看見大自然賜予的各類天生橋。 世界上第一座橋，也許是橫在河流中的一顆自然倒伏的大樹，也許是一塊塊散落在水中的亂石，也許是纏繞在一起的河谷兩岸的藤蘿 然而，人類造橋的故事該從何說起呢？ 在舊石器晚期洞穴壁畫中的那個(gè)男人并不知道什么是橋。他每天采集野果，追趕并射殺獵物。為了獲得更多食物來喂養(yǎng)他的妻子和孩子，他經(jīng)常需要 穿過那些太寬而跨不過去的峽谷裂縫、太湍急而不能涉水的溪流。當(dāng)他無助地徘徊在河邊時(shí)，忽然看到一個(gè)倒在兩岸之間的原木，這是一顆被風(fēng)吹倒而死掉的大樹，他小心地踩上樹干，繞到了對(duì)岸。 這個(gè)偶然現(xiàn)象讓男人意識(shí)到橫在兩岸之間的樹會(huì)給自己帶來很大方便。后來，當(dāng)他再來到其他河邊時(shí)，他會(huì)一直尋找這樣一棵樹，或者帶上自己的石斧，將樹砍倒，橫在河面上。這便是人類學(xué)會(huì)建造的最早的橋 獨(dú)木橋。 獨(dú)木橋雖然簡(jiǎn)單，卻是橋梁的祖先，它不僅給當(dāng)時(shí)的人提供了交通方便，更重要的是它給人類帶來了啟示和信心，困難是可以跨越的， 從而引起人們對(duì)造橋的巨大興趣。 魂斷 藍(lán)橋 魂斷藍(lán)橋是一部偉大的愛情電影，講述了一個(gè)與戰(zhàn)爭(zhēng)有關(guān)的悲情故事，但影片中的藍(lán)橋?qū)崬?“ 滑鐵盧橋 ” 。然而，在中國(guó)古時(shí)候卻有一座真正的 “ 藍(lán)橋 ” ，它是我國(guó)古代木梁橋的一個(gè)縮影。 據(jù)史記 蘇秦列傳和戰(zhàn)國(guó)策記載，一個(gè)名叫尾聲的魯國(guó)人，愛上了陜西藍(lán)田縣的一位女子，他與女子相約在藍(lán)田縣當(dāng)?shù)氐乃{(lán)橋下見面，不想女子遲遲沒有到來。尾聲堅(jiān)持等待，但河面發(fā)大水，水漲了上來，尾聲為了不失信約，抱著橋柱不離開，結(jié)果被大水淹死了。 “ 信如尾聲 ” 這個(gè)成語(yǔ)就出 自這個(gè)故事，表示一個(gè)人把遵守信約看得比生命還重要。 藍(lán)橋是春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期典型的木柱橋梁之一，也是有文獻(xiàn)記錄的最早的 “ 以柱造橋 ” 的范例之一，它反映了人們從獨(dú)木橋的建造技術(shù)又向前進(jìn)了一步。古代木梁橋由于易腐蝕，耐久性差，如今已再難見到它的蹤影，只散見于部分古籍。 秦漢時(shí)期，咸陽(yáng)、長(zhǎng)安古城渭水河上建造了中渭、西渭、東渭三座橋梁。據(jù)水經(jīng)注記載，中渭橋全長(zhǎng) 525米，寬 13.8 米，由 750 根木柱樁組成 67 個(gè)橋墩，木樁上加蓋頂橫梁，再鋪上木橋面板，兩側(cè)設(shè)雕花欄桿。橋梁中間高，兩邊低，利于排水，防止腐 朽。 傷別 灞橋 木樁柱長(zhǎng)期在水中浸泡，很容易腐蝕，為克服這個(gè)困難，橋墩逐步過渡到采用石柱造橋的時(shí)期。據(jù)唐六典記載，天下石柱橋有四座：天津、永濟(jì)、中橋和灞橋。這四座橋中，灞橋最為出名。 灞橋跨越灞水，是當(dāng)時(shí)古都長(zhǎng)安通往潼關(guān)的咽喉要道，因附近種植了很多柳樹，構(gòu)成了引人入勝的景色， “ 灞柳風(fēng)雪 ” 是著名的關(guān)中八景之一。古代人被發(fā)配塞外，要途經(jīng)此地，常在這里與親友話別，有折柳贈(zèng)別的習(xí)俗。因而，灞橋也常出現(xiàn)在文人墨客的傷別詩(shī)句里。如李白憶秦娥中 “ 秦樓月，年年柳色，霸陵傷別 ” ；王維 送元二使安西中 “ 勸君更盡一杯酒，西出陽(yáng)關(guān)無故人 ” ；柳永雨霖霖中 “ 今宵酒醒何處？楊柳岸，曉風(fēng)殘?jiān)?” 。這些傳唱千古的名篇，也傳播了灞橋之名。 灞水原名滋水，秦穆公為顯示爭(zhēng)霸天下的功績(jī)，更滋水為灞水。灞橋建于何時(shí)沒有定論，相傳公元 22 年，有貧民棲身橋下生火做飯，不慎失火，橋梁被毀。千百年來，灞橋?qū)医▽覛В宕?“ 自宋代以來，六十年一成毀 ” 的說法，說明該橋壽命不長(zhǎng)的事實(shí)。至于是毀于戰(zhàn)亂，還是因石柱木梁橋本身質(zhì)量不佳，不得而知。 千年獨(dú)步 趙州橋 拱橋發(fā)源于西方的愛琴海地區(qū)，那 里曾是古希臘、古羅馬的文化中心。拱橋相比梁橋更能經(jīng)受馬踏、車輪碾壓，質(zhì)地堅(jiān)固，由于當(dāng)?shù)貞?zhàn)爭(zhēng)頻繁，人們很早就掌握了這種造橋技術(shù)。羅馬的石拱橋世界聞名，歷經(jīng) 2000 多年，還有 30 余座存在。然而，石拱橋傳入中國(guó)后，卻發(fā)展到了一個(gè)新的高峰，這個(gè)高峰的杰出代表就是享譽(yù)中外的趙州橋。 趙州橋原名安濟(jì)橋，建成于公元 616 年，由隋朝工匠李春、李通等人建造。橋全長(zhǎng) 51 米，寬 9.6 米，跨徑 37米。大拱上建有 4 個(gè)小拱。這座橋在我國(guó)現(xiàn)存石拱橋中是最為古老并且跨徑最大的石拱橋。 趙州橋的敞肩拱（拱背上加拱）結(jié)構(gòu)， 不僅是我國(guó)橋梁工程的首創(chuàng)，也是世界橋梁工程史上的首創(chuàng)。科學(xué)技術(shù)史學(xué)家李約瑟曾評(píng)價(jià)說，李春建成趙州橋后， “ 顯然形成了一個(gè)學(xué)派和風(fēng)格，并延續(xù)數(shù)世紀(jì)之久 ” ， “ 弓形拱是中國(guó)傳到歐洲去的發(fā)明之一 ” 。法國(guó)人比趙州橋晚 7 個(gè)世紀(jì)后才建成了賽蘭特敞肩拱橋，不過橋?qū)捯仓皇勤w州橋的一半。 敞肩拱的設(shè)計(jì)可以大幅減輕石拱橋的自重，另一方面又可以增大橋梁的泄洪能力，而趙州橋更為突出的是采用圓弧拱，即小于半圓的弧，作為承重結(jié)構(gòu)，這樣在相同跨度下，可以大幅降低橋梁高度，易于人與車輛的通行，這也許是此橋獨(dú)步千年的奧秘之一吧。 橋 公式 無論是木梁橋、石柱橋還是石拱橋，不難看出，古人建造橋梁時(shí)多是憑借經(jīng)驗(yàn)而造的，這一點(diǎn)可以追溯到中國(guó)古代科學(xué)技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)主義傳統(tǒng)。反觀西方，到文藝復(fù)興時(shí)期，自然科學(xué)開始形成自己的體系，這一時(shí)期橋梁結(jié)構(gòu)理論開始出現(xiàn)，橋梁建設(shè)從過去的經(jīng)驗(yàn)法過渡到理論指導(dǎo)下的運(yùn)算法。如今，現(xiàn)代科技催生了混凝土橋、桁架橋、懸臂梁橋、懸索橋、斜拉橋等各種高大上的新式橋梁，然而橋梁又是如何與那些抽象數(shù)學(xué)曲線、物理公式聯(lián)系起來的？換句話說，橋梁建筑理論究竟從何誕生？ 吃螃蟹的人 將公式運(yùn)用于橋梁， 將科學(xué)應(yīng)用于工程，這個(gè)過程是曲折而又艱辛的。在文藝復(fù)興誕生的一批自然科學(xué)家中，伽利略是第一個(gè)闡述建筑方法科學(xué)理論的人。 1636 年，伽利略因倡導(dǎo)日心說而遭到天主教會(huì)的軟禁，在 3 年禁閉期間他試圖建立一個(gè)全新的、具有普遍意義的建筑結(jié)構(gòu)科學(xué)。伽利略研究的一個(gè)特殊裝置是懸臂。這本是一個(gè)造船工程問題，當(dāng)時(shí)船肋的尺寸受到造船臨時(shí)支撐條件的限制。伽利略試圖突破這個(gè)瓶頸，他把問題抽象為一種標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，通過運(yùn)算得出了可測(cè)、可控、起限定作用的參數(shù)。 遺憾的是，伽利略對(duì)材料性能了解太少，沒能正確把握懸臂結(jié)構(gòu)的支點(diǎn)位 置，直到 40 年后羅伯特 胡克提出了彈簧平衡定律，定義了彈性變形與力的關(guān)系。盡管伽利略的工作不夠完美，但他開創(chuàng)了用幾何方法研究工程問題的先例，影響了后來的橋梁設(shè)計(jì)者。 對(duì)手的勝利 被譽(yù)為 “ 土木工程之父 ” 的托馬斯 泰爾福德，他的榮耀全部來自于一座位于英國(guó)梅奈海峽上的跨海大橋。這位自學(xué)成才的橋梁工程師，花了 7 年時(shí)間完成自己的杰作。梅奈橋的跨度之大，足以滿足軍艦的通行。然而他的設(shè)計(jì)卻是以當(dāng)時(shí)的普遍經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，并不是依據(jù)科學(xué)理論。但與此同時(shí)，他的那位嘗試運(yùn)用理論造橋的對(duì)手，卻遭受了失敗。 法國(guó)工程師納維爾，第一個(gè)提出橋梁超定靜結(jié)構(gòu)分析方法的人，也是泰爾福德的對(duì)手，秉承著用理論建造橋梁的對(duì)立觀點(diǎn)。法國(guó)政府曾兩度派他去英國(guó)考察橋梁工程實(shí)踐。也就在這期間，他遇到了泰爾福德。 在泰爾福德進(jìn)行梅奈橋施工的同時(shí)，納維爾著手開始建造巴黎殘疾人大橋。他力圖使這座橋成為懸索橋的范本，所有構(gòu)件尺寸都是根據(jù)理論確定的。但不幸的是該橋在開工不久就出現(xiàn)了問題，于 1927 年被拆除。 與 “ 土木工程之父 ” 的輝煌相比，納維爾似乎是失敗的，不過他運(yùn)用理論造橋的第一次嘗試，卻對(duì)現(xiàn)代橋梁建造提供了借鑒，從這 個(gè)角度來說，納維爾又是成功的。 數(shù)學(xué)與橋梁 橋梁承受壓力的量化信息，最早由美國(guó)紐約由提卡學(xué)院的 S.惠普爾提出。 1847 年，惠普爾在橋梁建造研究的論文集中首次對(duì)相連的桁架做了受力分析。這一論文集意義重大，它標(biāo)志著用科學(xué)建造橋梁時(shí)代的開端，使接下來以正確的數(shù)學(xué)公式為基礎(chǔ)的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第一次成為可能。 近代數(shù)學(xué)分析理論的提出，使橋梁工程師們擁有了關(guān)于橋梁受力、設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)和經(jīng)濟(jì)比例方面更全面的知識(shí)。現(xiàn)在人們可以花費(fèi)更少的原材料來建造更高效的橋，并且開發(fā)出新的橋梁形式。 橋 腳印 在橋梁發(fā)展的歷史長(zhǎng)河中，有輝煌的篇章，也有痛苦的印記。近代橋梁的先驅(qū)們?yōu)闃蛄含F(xiàn)代化付出了艱辛，有的甚至付出了生命。 19 世紀(jì)中后期到 20 世紀(jì)，是大橋梁時(shí)代的序幕，這一時(shí)期懸索橋、拱橋、懸臂桁架橋等基本橋型都已出現(xiàn)，其中有三座橋梁及其建設(shè)者是那個(gè)時(shí)代的典型代表。 詹姆斯 伊茲 鋼拱橋的探險(xiǎn)家 第一座震撼世界的鋼拱橋，當(dāng)屬美國(guó)圣勞倫斯的伊茲大橋，它的名字正是為了紀(jì)念偉大的工程師詹姆斯 伊茲對(duì)該橋的貢獻(xiàn)。為了完成這座橫跨密西西比河的 “ 鋼鐵巨獸 ” ，伊茲付出了他的健康和 生命。 人們說伊茲的夢(mèng)想是瘋狂的，其他工程師稱其危險(xiǎn)性太高。伊茲大橋不僅是最大、最冒險(xiǎn)的拱橋，它在很多方面也超前當(dāng)時(shí)的橋梁設(shè)計(jì)幾十年。它因很多個(gè)第一而出名：第一座全部使用鋼材的橋梁，第一個(gè)在建造橋墩時(shí)使用氣壓沉箱，第一個(gè)使用管狀弦桿。 伊茲大橋修建時(shí)最大膽也最危險(xiǎn)的做法是采用氣壓沉箱下沉橋墩。橋墩的沉箱下降時(shí)，箱內(nèi)氣壓也隨之增大，在里面工作的人就會(huì)出現(xiàn)肌肉抽筋、癱瘓、呼吸困難等癥狀，在一次橋墩下沉?xí)r，曾出現(xiàn)了 80 例工傷事故， 12 人死亡。頂著巨大壓力工作的伊茲，和工人們一樣，健康受到了極大 的損害。 1898 年，美國(guó)發(fā)行的 “ 橫跨密西西比 ” 系列郵票上出現(xiàn)了伊茲大橋，這座宏偉的建筑和他的建造者的精神一樣無比絢麗。 羅布林家族 現(xiàn)代懸索橋的拓荒者 布魯克林大橋是第一座宏偉的現(xiàn)代吊橋，沒有它，聞名世界的金門大橋不可能建成。 布魯克林大橋方案的提出者是約翰 羅布林，他曾經(jīng)指導(dǎo)了 1851 年尼亞加拉鐵路吊橋的建設(shè)。不過，當(dāng)這位經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師說出他的想法時(shí)，卻讓所有人大吃一驚：大橋跨度達(dá)到前所未有的 488 米，更驚人的是重達(dá) 18700 噸的大橋僅由四根直徑 0.48 米的鋼 纜拉起。 為了打消人們的懷疑，羅布林邀請(qǐng)了業(yè)界專家團(tuán)隊(duì)論證其方案的可行性，最終這個(gè)大膽的設(shè)想獲得了肯定，不過就在工程即將實(shí)施時(shí)， 1869 年 7 月 22 日，一次勘查中的事故奪走了羅布林的生命。這個(gè)遺留的夢(mèng)想最終由羅布林的兒子小羅布林完成。 小羅布林同樣為這項(xiàng)工程付出了慘重的代價(jià)，他經(jīng)歷了漏水事故、爆破事故、火災(zāi)等磨難，肢體癱瘓、失聲困擾了他的下半生。 完成后的大橋被譽(yù)為 “ 世界第八大奇跡 ” 。它的難得之處在于當(dāng)時(shí)吊橋分析理論尚未出現(xiàn)，盡管如此，羅布林家族憑直覺所創(chuàng)造的巨跨，歷經(jīng)百年風(fēng)霜依 然屹立如初。 本杰明 貝克 懸臂桁架橋之王 懸臂橋并不是本杰明 貝克的首創(chuàng)，然而他建造的蘇格蘭福斯鐵路橋，卻在橋梁領(lǐng)域確立了懸臂橋的統(tǒng)治地位。貝克曾說： “ 這座橋的價(jià)值并不在于方法的創(chuàng)新，而在于面對(duì)像福斯這樣開闊的河口，修建如此巨大的橋梁，其困難不可想象。 ” 于 1889 年竣工的福斯橋，由建于河兩岸的兩座高架引橋和跨越水面的主懸臂構(gòu)成，懸臂長(zhǎng) 1036 米，橋身全長(zhǎng) 2528米，橋面距水面 46 米，可容納雙鐵軌。 福斯橋?qū)⑵涫澜绲谝婚L(zhǎng)