中外橋梁建設發(fā)展歷史及建設現(xiàn)狀

【專家解說】：　世界橋梁工程發(fā)展格局演變 早在距今約三千年的周文王時,我國就已在寬闊的渭河上架設過大型浮橋。后陸續(xù)涌現(xiàn)了一大批以石料、鐵為建材的橋梁建筑,其中以趙州橋(跨度37.02m,公元605年)、大渡河鐵索橋(跨度約100m,1803年)等為標志，體現(xiàn)了古代橋梁的偉大成就,也顯示了古代中國的強盛。 18世紀以后,歐洲率先進入工業(yè)社會,從根本上改變了200年西方文明的歷史,促進了大規(guī)模的鐵路橋梁建設。迄今,以英國不列顛尼亞箱梁橋(跨度141m,185年)、美國布魯克林懸索橋(跨度486m,1883年)及英國福斯懸臂桁架橋(跨度520m,1890年)為標志的橋梁建筑仍散發(fā)著西方工業(yè)文明的氣息。 20世紀初期,西方工業(yè)社會獲得空前發(fā)展,日趨發(fā)達。于30年代掀起了第1個大跨懸索橋建設高峰,以美國紐約、華盛頓橋(跨度1067m,1931年)、舊金山金門大橋(跨度1280m,1937年)為代表顯示出其橋梁領域的壟斷實力。二戰(zhàn)后,德國、日本再度堀起。50年代起,德國經(jīng)濟的復蘇推動了德國橋梁工程的發(fā)展,斜拉橋結構得以 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,我國迎來 了改革開放的新時期。經(jīng)過近20年的發(fā)展,我國經(jīng)濟突飛猛進,國力顯著增強。同時,我國也加快了基礎建設的 步伐,一大批橋梁如雨后春筍,層出不窮。特別是近十年來建成的代表當今世界橋梁最高發(fā)展水平的一大批斜拉橋、懸索橋(見表1,表2),更是確定了中國的世界地位。 當今,世界橋梁工程的格局如同國際政局的多極化局面,不再是美、英壟斷的天下,呈現(xiàn)了以日、美、英、中、德、法及其他國家共同發(fā)展的新局面。展望下一世紀,崛起的中國定會有再現(xiàn)東方文明的輝煌時刻。 3　20世紀橋梁發(fā)展主要成就 3.1　學科發(fā)展 橋梁工程已被確認為一門獨立的科學技術,不再是僅憑橋梁設計者們智慧和經(jīng)驗的創(chuàng)造過程。它已發(fā)展成 融理論分析、設計、施工控制及管理于一體的系統(tǒng)性學科。由于科技的進步,一些相關的學科也滲透入橋梁工程領域中,發(fā)展了新的分支學科,如橋梁抗風、抗震、橋梁CAD、橋梁的施工控制及橋梁檢測技術等等。 3.2　建設規(guī)模及施工技術 3.2.1　跨徑不斷增大 目前,鋼梁、鋼拱的最大跨徑已超過500m,鋼斜拉橋為890m,而鋼懸索橋達1990m。隨著跨江跨海的需要,鋼斜拉橋的跨徑將突破1000m,鋼懸索橋?qū)⒊^3000m。至于混凝土橋,梁橋的最大跨徑為270m,拱橋已達420m,斜拉橋為530m。 3.2.2　橋型不斷豐富 20世紀50~60年代,橋梁技術經(jīng)歷了一次飛躍:混凝土梁橋懸臂平衡施工法、頂推法和拱橋無支架方法的出現(xiàn),極大地提高了混凝土橋梁的競爭能力;斜拉橋的涌現(xiàn)和崛起,展示了豐富多彩的內(nèi)容和極大的生命力;懸索橋采用鋼箱加勁梁,技術上出現(xiàn)新的突破。所有這一切,使橋梁技術得到空前的發(fā)展。 3.2.3　結構不斷輕型化 懸索橋采用鋼箱加勁梁,斜拉橋在密索體系的基礎上采用開口截面甚至是板,使梁的高跨比大大減少,非常輕穎;拱橋采用少箱甚至拱肋或桁架體系;梁橋采用長懸臂、板件減薄等,這些都使橋梁上部結構越來越輕型化。 3.2.4　橋梁墩臺及基礎技術不斷發(fā)展 隨著上部結構的迅猛發(fā)展,必然給下部結構提出更高的要求。自鋼筋混凝土推廣使用以來,橋梁墩臺的結構形式趨于多樣化。除了傳統(tǒng)的重力墩臺外,發(fā)展了空心墩、樁柱式墩臺、構架式墩臺、框架式墩臺、雙柱式墩、拼裝墩臺及預應力鋼筋薄壁墩等新型墩臺,并日趨輕型、柔性化。高墩技術也有較大發(fā)展。與此同時,橋梁基礎也在發(fā)展。50年代以后,越江、跨海灣、海峽大橋的興建以中國、日本為首大力發(fā)展了深水基礎技術。如50年代在武漢長江大橋中首創(chuàng)了管柱基礎;60年代在南京長江大橋中發(fā)展了重型沉井、深水鋼筋混凝土沉井和鋼沉井;70年代在九江長江大橋中創(chuàng)造了雙壁鋼圍堰鉆孔樁基礎;80年代后進一步發(fā)展了復合基礎。在日本,由于本四聯(lián)絡線工程的建設,近20年來,其深水基礎技術發(fā)展很快,以地下連續(xù)墻、設置沉井和無人沉箱技術最為突出。 3.3　設計風格 橋梁設計風格的轉(zhuǎn)變主要表現(xiàn)為以下3個方面:(1)由于計算機的出現(xiàn)與發(fā)展,為橋梁設計師們提供了新的設計工具,并已逐步取代了手工制圖。橋梁設計師們的創(chuàng)造力與想象力在電腦中得以充分展現(xiàn)。 (2)隨著人類對地球生態(tài)平衡、自然環(huán)境及資源的日益重視,對橋梁工程提出了與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)的要求 橋梁的設計更加注重景觀設計。 (3)大跨度橋梁的發(fā)展,不僅要求對成橋狀態(tài)進行設計,對施工階段的設計也很重視,將施工方法與施工過程相結合已成為現(xiàn)代橋梁設計的一大特色。 4　橋梁工程發(fā)展探因 4.1材料革新 土木工程發(fā)展史表明,材料的每一次變革都會帶來土木工程的巨大飛躍。橋梁工程因此獲得了一次又一次的發(fā)展機遇。公元前5世紀至公元前3世紀,磚出現(xiàn)于中國,實現(xiàn)了土木工程的第1次飛躍,開始了磚、木結構的橋梁時代。19世紀波特蘭水泥、現(xiàn)代鋼材在歐洲的出現(xiàn),實現(xiàn)了土木工程的第2次飛躍,橋梁工程獲得了空前 大發(fā)展,橋梁結構形式及規(guī)模有了突破。20世紀初葉,預應力混凝土的出現(xiàn),實現(xiàn)了土木工程的第3次飛躍,開 始了混凝土橋梁結構的時代。20世紀70年代開始,出現(xiàn)了以碳纖維為代表的高級復合材料,首先被用于航空、 航天等高科技領域,現(xiàn)正逐步滲透到橋梁工程領域之中。 4.2　電子計算機技術 當今的各種高新技術革命中,以計算機技術革命最為耀眼。自本世紀70年代第1臺微型計算機的誕生,開辟了計算機新時代,從根本上改變了結構工程分析的歷史,一門新的學科———計算結構力學得以產(chǎn)生,有限元法 就此成為分析復雜橋梁結構形式的主要方法。隨著計算機技術的不斷進步,促成了以計算機為輔助設計的橋梁CAD技術分支學科的形成。 4.3　預應力思想 預應力思想被喻為本世紀中最為革命的結構思想,它源于1910年法國工程師金.弗來西奈設計建造的足尺試驗拱橋(跨度72.5m)中。此后的數(shù)十年里被推廣到混凝土結構中,形成了一整套預應力混凝土技術。在橋梁工程的建設中,發(fā)揮出重大作用,創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟與社會效益,其應用已遍及各種橋梁結構形式,不僅帶動了中小跨度橋梁的迅猛發(fā)展,也促成了大跨度橋梁的進步。 尤其在斜拉橋中,這種思想的發(fā)揮達到了頂點。此外,它也被用于橋梁工程的施工過程之中,衍生出許多新的施 工方法和工藝;而在舊橋加固領域里,也顯示出很強的競爭力。當今由于預應力思想的結合,使得預應力混凝土 已成為本世紀最主要的橋梁材料。 4.4　自架設體系思想 在本世紀橋梁工程的發(fā)展歷程中,預應力思想促進了橋梁結構形式的變革,而自架設體系思想帶來了大跨度橋梁施工技術的變革,兩種思想交相輝映。自架設體系思想是通過將結構離散成若干小的單元或構件,以便于預制或現(xiàn)澆,然后按特定的施工步驟進行拼裝或澆注,已完成的結構部分就可以作為支撐體系參與下一階段的 施工,直到全部結構的完成。它體現(xiàn)了“化整為零、集零為整”的特點。這種思想在大跨度懸索橋、斜拉橋、拱橋及連續(xù)梁橋等橋型的施工中得到靈活應用。在施工過程中,由于存在著體系轉(zhuǎn)化及受幾何非線性、材料非線性因素的影響,施工期間結構的受力狀態(tài)比成橋狀態(tài)更為不利,于是提出了對施工階段進行控制設計的要求。幾經(jīng)發(fā)展,施工控制技術已逐步成為一門新興的橋梁工程分支學科。 4.5　橋梁設計競賽機制 橋梁設計競賽的傳統(tǒng)在19世紀末就已在瑞士盛行,促進了當時瑞士橋梁工程的發(fā)展。兩位世界級的橋梁設計師羅伯特.馬亞爾(1872-1940)和奧斯瑪.安曼(1879-1966)就深得這種傳統(tǒng)的熏陶,前者曾創(chuàng)造出輕盈的薄 混凝土拱橋,而后者設計了喬治.華盛頓橋、維拉扎諾懸索橋。隨后在國外的許多大型跨海工程中都廣泛地實行了競賽制,如丹麥的大貝爾特工程,由于政治原因設計競賽持續(xù)了25年之久,期間許多新的設計構思層出不窮,積累了豐富的橋梁結構設計經(jīng)驗。因而設計競賽的實行一定程序上推動了橋梁工程事業(yè)的發(fā)展。4.6施工管理體制橋梁工程的建設過程實際上也是施工組織活動的過程。18世紀,歐洲興起花型建筑的熱潮,開始出現(xiàn)設計與施工的分離。后來在英國進一步發(fā)展成了工程建設監(jiān)理體制。1956年由國際咨詢工程師聯(lián)合(FIDIC)和歐洲建筑工程聯(lián)合會(FIEC)共同發(fā)起對英國土木工程師學會(ICE)制定的合同條款進行修改,頒布“FIDIC”合同條件,后經(jīng)歷了1969、1977、1987年的3次改版。幾十年來它已被世界各國土木工程界廣泛接受和借鑒,給橋梁工程建設行業(yè)注入了新的活力,為確保橋梁的工程質(zhì)量、加快工程進度、控制工程造價提供了可靠的保障。 5　21世紀橋梁工程發(fā)展前瞻 5.1　學科發(fā)展 如前所述,本世紀以來橋梁結構工程已發(fā)展成系統(tǒng)性的工程學科,主體框架已構筑完畢,但遠未完善?？梢灶A見,未來的世紀,這些分支將得以獨立發(fā)展成熟,同時也會相互滲透。橋梁抗風領域,大跨度橋梁風致振動控制技術將成為研究的熱點,試驗仍將以風洞為依托。隨著計算機技術的不斷更新進步,數(shù)值風洞技術可望有突破。 隨著計算機微處理器技術的迅猛發(fā)展,橋梁CAD技術將面臨新的發(fā)展機遇。集結構分析、工程制圖、工程數(shù) 據(jù)庫及專家系統(tǒng)的橋梁CAD軟件將會問世,并將邁入橋梁設計的網(wǎng)絡時代。 橋梁施工控制技術將進一步發(fā)展,GPS(Global Posi-tioning System)技術的應用將成為施工測量技術研究的 熱點?；A工程發(fā)展的重點在于海洋鉆井平臺技術的引進。舊橋加固檢測技術的開發(fā)應用將成為下一世紀橋梁工程領域的另一道風景線。 5.2材料發(fā)展 目前,在世界范圍,高性能混凝土的研究在深入,應用在擴展。北歐國家如挪威、瑞典,橋梁基本都采用HPC(高性能混凝土)建造,目前對橋梁混凝土除高耐久與高強要求外,又增加了輕質(zhì)的要求,因為橋梁上部結構使用輕質(zhì)HPC(容重約1.9t/m3),橋梁自重減輕了,可以降低橋梁下部結構的成本,輕質(zhì)高強(56~74MPa)HPC已經(jīng)成功地在挪威一些工程中應用。美國、加拿大在SHRP計劃的研究與應用基礎上,正在大力宣傳和推廣應用HPC建設橋梁。有理由相信,高性能混凝土將獲得越來越廣泛的應用,并且會成為21世紀橋梁建設的優(yōu)選工程材料。