演变中的桥梁技术[文档资料]

演变中的桥梁技术 本文档格式为 WORD,感谢你的阅读。 桥 风物 人类是模仿自然的能手，我们的祖先，有幸看见大自然赐予的各类天生桥。 世界上第一座桥，也许是横在河流中的一颗自然倒伏的大树，也许是一块块散落在水中的乱石，也许是缠绕在一起的河谷两岸的藤萝 然而，人类造桥的故事该从何说起呢？ 在旧石器晚期洞穴壁画中的那个男人并不知道什么是桥。他每天采集野果，追赶并射杀猎物。为了获得更多食物来喂养他的妻子和孩子，他经常需要 穿过那些太宽而跨不过去的峡谷裂缝、太湍急而不能涉水的溪流。当他无助地徘徊在河边时，忽然看到一个倒在两岸之间的原木，这是一颗被风吹倒而死掉的大树，他小心地踩上树干，绕到了对岸。 这个偶然现象让男人意识到横在两岸之间的树会给自己带来很大方便。后来，当他再来到其他河边时，他会一直寻找这样一棵树，或者带上自己的石斧，将树砍倒，横在河面上。这便是人类学会建造的最早的桥 独木桥。 独木桥虽然简单，却是桥梁的祖先，它不仅给当时的人提供了交通方便，更重要的是它给人类带来了启示和信心，困难是可以跨越的， 从而引起人们对造桥的巨大兴趣。 魂断 蓝桥 魂断蓝桥是一部伟大的爱情电影，讲述了一个与战争有关的悲情故事，但影片中的蓝桥实为 “ 滑铁卢桥 ” 。然而，在中国古时候却有一座真正的 “ 蓝桥 ” ，它是我国古代木梁桥的一个缩影。 据史记 苏秦列传和战国策记载，一个名叫尾声的鲁国人，爱上了陕西蓝田县的一位女子，他与女子相约在蓝田县当地的蓝桥下见面，不想女子迟迟没有到来。尾声坚持等待，但河面发大水，水涨了上来，尾声为了不失信约，抱着桥柱不离开，结果被大水淹死了。 “ 信如尾声 ” 这个成语就出 自这个故事，表示一个人把遵守信约看得比生命还重要。 蓝桥是春秋战国时期典型的木柱桥梁之一，也是有文献记录的最早的 “ 以柱造桥 ” 的范例之一，它反映了人们从独木桥的建造技术又向前进了一步。古代木梁桥由于易腐蚀，耐久性差，如今已再难见到它的踪影，只散见于部分古籍。 秦汉时期，咸阳、长安古城渭水河上建造了中渭、西渭、东渭三座桥梁。据水经注记载，中渭桥全长 525米，宽 13.8 米，由 750 根木柱桩组成 67 个桥墩，木桩上加盖顶横梁，再铺上木桥面板，两侧设雕花栏杆。桥梁中间高，两边低，利于排水，防止腐 朽。 伤别 灞桥 木桩柱长期在水中浸泡，很容易腐蚀，为克服这个困难，桥墩逐步过渡到采用石柱造桥的时期。据唐六典记载，天下石柱桥有四座：天津、永济、中桥和灞桥。这四座桥中，灞桥最为出名。 灞桥跨越灞水，是当时古都长安通往潼关的咽喉要道，因附近种植了很多柳树，构成了引人入胜的景色， “ 灞柳风雪 ” 是著名的关中八景之一。古代人被发配塞外，要途经此地，常在这里与亲友话别，有折柳赠别的习俗。因而，灞桥也常出现在文人墨客的伤别诗句里。如李白忆秦娥中 “ 秦楼月，年年柳色，霸陵伤别 ” ；王维 送元二使安西中 “ 劝君更尽一杯酒，西出阳关无故人 ” ；柳永雨霖霖中 “ 今宵酒醒何处？杨柳岸，晓风残月 ” 。这些传唱千古的名篇，也传播了灞桥之名。 灞水原名滋水，秦穆公为显示争霸天下的功绩，更滋水为灞水。灞桥建于何时没有定论，相传公元 22 年，有贫民栖身桥下生火做饭，不慎失火，桥梁被毁。千百年来，灞桥屡建屡毁，清代有 “ 自宋代以来，六十年一成毁 ” 的说法，说明该桥寿命不长的事实。至于是毁于战乱，还是因石柱木梁桥本身质量不佳，不得而知。 千年独步 赵州桥 拱桥发源于西方的爱琴海地区，那 里曾是古希腊、古罗马的文化中心。拱桥相比梁桥更能经受马踏、车轮碾压，质地坚固，由于当地战争频繁，人们很早就掌握了这种造桥技术。罗马的石拱桥世界闻名，历经 2000 多年，还有 30 余座存在。然而，石拱桥传入中国后，却发展到了一个新的高峰，这个高峰的杰出代表就是享誉中外的赵州桥。 赵州桥原名安济桥，建成于公元 616 年，由隋朝工匠李春、李通等人建造。桥全长 51 米，宽 9.6 米，跨径 37米。大拱上建有 4 个小拱。这座桥在我国现存石拱桥中是最为古老并且跨径最大的石拱桥。 赵州桥的敞肩拱（拱背上加拱）结构， 不仅是我国桥梁工程的首创，也是世界桥梁工程史上的首创。科学技术史学家李约瑟曾评价说，李春建成赵州桥后， “ 显然形成了一个学派和风格，并延续数世纪之久 ” ， “ 弓形拱是中国传到欧洲去的发明之一 ” 。法国人比赵州桥晚 7 个世纪后才建成了赛兰特敞肩拱桥，不过桥宽也只是赵州桥的一半。 敞肩拱的设计可以大幅减轻石拱桥的自重，另一方面又可以增大桥梁的泄洪能力，而赵州桥更为突出的是采用圆弧拱，即小于半圆的弧，作为承重结构，这样在相同跨度下，可以大幅降低桥梁高度，易于人与车辆的通行，这也许是此桥独步千年的奥秘之一吧。 桥 公式 无论是木梁桥、石柱桥还是石拱桥，不难看出，古人建造桥梁时多是凭借经验而造的，这一点可以追溯到中国古代科学技术的经验主义传统。反观西方，到文艺复兴时期，自然科学开始形成自己的体系，这一时期桥梁结构理论开始出现，桥梁建设从过去的经验法过渡到理论指导下的运算法。如今，现代科技催生了混凝土桥、桁架桥、悬臂梁桥、悬索桥、斜拉桥等各种高大上的新式桥梁，然而桥梁又是如何与那些抽象数学曲线、物理公式联系起来的？换句话说，桥梁建筑理论究竟从何诞生？ 吃螃蟹的人 将公式运用于桥梁， 将科学应用于工程，这个过程是曲折而又艰辛的。在文艺复兴诞生的一批自然科学家中，伽利略是第一个阐述建筑方法科学理论的人。 1636 年，伽利略因倡导日心说而遭到天主教会的软禁，在 3 年禁闭期间他试图建立一个全新的、具有普遍意义的建筑结构科学。伽利略研究的一个特殊装置是悬臂。这本是一个造船工程问题，当时船肋的尺寸受到造船临时支撑条件的限制。伽利略试图突破这个瓶颈，他把问题抽象为一种标准状态，通过运算得出了可测、可控、起限定作用的参数。 遗憾的是，伽利略对材料性能了解太少，没能正确把握悬臂结构的支点位 置，直到 40 年后罗伯特 胡克提出了弹簧平衡定律，定义了弹性变形与力的关系。尽管伽利略的工作不够完美，但他开创了用几何方法研究工程问题的先例，影响了后来的桥梁设计者。 对手的胜利 被誉为 “ 土木工程之父 ” 的托马斯 泰尔福德，他的荣耀全部来自于一座位于英国梅奈海峡上的跨海大桥。这位自学成才的桥梁工程师，花了 7 年时间完成自己的杰作。梅奈桥的跨度之大，足以满足军舰的通行。然而他的设计却是以当时的普遍经验为基础的，并不是依据科学理论。但与此同时，他的那位尝试运用理论造桥的对手，却遭受了失败。 法国工程师纳维尔，第一个提出桥梁超定静结构分析方法的人，也是泰尔福德的对手，秉承着用理论建造桥梁的对立观点。法国政府曾两度派他去英国考察桥梁工程实践。也就在这期间，他遇到了泰尔福德。 在泰尔福德进行梅奈桥施工的同时，纳维尔着手开始建造巴黎残疾人大桥。他力图使这座桥成为悬索桥的范本，所有构件尺寸都是根据理论确定的。但不幸的是该桥在开工不久就出现了问题，于 1927 年被拆除。 与 “ 土木工程之父 ” 的辉煌相比，纳维尔似乎是失败的，不过他运用理论造桥的第一次尝试，却对现代桥梁建造提供了借鉴，从这 个角度来说，纳维尔又是成功的。 数学与桥梁 桥梁承受压力的量化信息，最早由美国纽约由提卡学院的 S.惠普尔提出。 1847 年，惠普尔在桥梁建造研究的论文集中首次对相连的桁架做了受力分析。这一论文集意义重大，它标志着用科学建造桥梁时代的开端，使接下来以正确的数学公式为基础的桥梁结构设计第一次成为可能。 近代数学分析理论的提出，使桥梁工程师们拥有了关于桥梁受力、设计细节和经济比例方面更全面的知识。现在人们可以花费更少的原材料来建造更高效的桥，并且开发出新的桥梁形式。 桥 脚印 在桥梁发展的历史长河中，有辉煌的篇章，也有痛苦的印记。近代桥梁的先驱们为桥梁现代化付出了艰辛，有的甚至付出了生命。 19 世纪中后期到 20 世纪，是大桥梁时代的序幕，这一时期悬索桥、拱桥、悬臂桁架桥等基本桥型都已出现，其中有三座桥梁及其建设者是那个时代的典型代表。 詹姆斯 伊兹 钢拱桥的探险家 第一座震撼世界的钢拱桥，当属美国圣劳伦斯的伊兹大桥，它的名字正是为了纪念伟大的工程师詹姆斯 伊兹对该桥的贡献。为了完成这座横跨密西西比河的 “ 钢铁巨兽 ” ，伊兹付出了他的健康和 生命。 人们说伊兹的梦想是疯狂的，其他工程师称其危险性太高。伊兹大桥不仅是最大、最冒险的拱桥，它在很多方面也超前当时的桥梁设计几十年。它因很多个第一而出名：第一座全部使用钢材的桥梁，第一个在建造桥墩时使用气压沉箱，第一个使用管状弦杆。 伊兹大桥修建时最大胆也最危险的做法是采用气压沉箱下沉桥墩。桥墩的沉箱下降时，箱内气压也随之增大，在里面工作的人就会出现肌肉抽筋、瘫痪、呼吸困难等症状，在一次桥墩下沉时，曾出现了 80 例工伤事故， 12 人死亡。顶着巨大压力工作的伊兹，和工人们一样，健康受到了极大 的损害。 1898 年，美国发行的 “ 横跨密西西比 ” 系列邮票上出现了伊兹大桥，这座宏伟的建筑和他的建造者的精神一样无比绚丽。 罗布林家族 现代悬索桥的拓荒者 布鲁克林大桥是第一座宏伟的现代吊桥，没有它，闻名世界的金门大桥不可能建成。 布鲁克林大桥方案的提出者是约翰 罗布林，他曾经指导了 1851 年尼亚加拉铁路吊桥的建设。不过，当这位经验丰富的工程师说出他的想法时，却让所有人大吃一惊：大桥跨度达到前所未有的 488 米，更惊人的是重达 18700 吨的大桥仅由四根直径 0.48 米的钢 缆拉起。 为了打消人们的怀疑，罗布林邀请了业界专家团队论证其方案的可行性，最终这个大胆的设想获得了肯定，不过就在工程即将实施时， 1869 年 7 月 22 日，一次勘查中的事故夺走了罗布林的生命。这个遗留的梦想最终由罗布林的儿子小罗布林完成。 小罗布林同样为这项工程付出了惨重的代价，他经历了漏水事故、爆破事故、火灾等磨难，肢体瘫痪、失声困扰了他的下半生。 完成后的大桥被誉为 “ 世界第八大奇迹 ” 。它的难得之处在于当时吊桥分析理论尚未出现，尽管如此，罗布林家族凭直觉所创造的巨跨，历经百年风霜依 然屹立如初。 本杰明 贝克 悬臂桁架桥之王 悬臂桥并不是本杰明 贝克的首创，然而他建造的苏格兰福斯铁路桥，却在桥梁领域确立了悬臂桥的统治地位。贝克曾说： “ 这座桥的价值并不在于方法的创新，而在于面对像福斯这样开阔的河口，修建如此巨大的桥梁，其困难不可想象。 ” 于 1889 年竣工的福斯桥，由建于河两岸的两座高架引桥和跨越水面的主悬臂构成，悬臂长 1036 米，桥身全长 2528米，桥面距水面 46 米，可容纳双铁轨。 福斯桥将其世界第一长