韓松

橋梁，一般指架設(shè)在江河湖海上，使車輛行人等能順利通行的構(gòu)筑物。橋梁最主要的目的，就是為了解決跨水或者越谷的交通，以便于運輸工具或行人在橋上暢通無阻。從最初的功能來說，橋梁專指跨水行空的道路?！墩f文解字》段玉裁注中即有“梁之字，用木跨水，今之橋也”的解釋，說明橋的最初含意是指架木于水面上形成的通道；古語中也用“逢山開路，遇水架橋”來形容即使遇到艱難險阻，也依然努力向前的精神。由此可見，橋梁是人類建造的用來跨越自然地形的土木工程結(jié)構(gòu)。

話說中國橋梁

中國山川眾多、江河縱橫，所以自古以來中國就是橋梁大國，從古至今，無論是建橋技術(shù)，還是橋梁數(shù)量，都處于世界領(lǐng)先地位。中國既保留著趙州橋、盧溝橋、廣濟橋這樣歷史悠久的古代橋梁，也有長度世界第一的丹昆特大橋（全長164.85千米）、世界最高的公路鐵路兩用橋梁—滬通長江大橋（正在建設(shè)中）、世界上跨徑最大的鋼拱橋—重慶朝天門大橋（主跨長552米）等世界著名的現(xiàn)代化橋梁。尤其在高速公路和高速鐵路快速建設(shè)的今天，中國橋梁數(shù)量更是飛速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，中國公路橋梁總數(shù)已經(jīng)超過了80萬座，鐵路橋梁數(shù)超過20萬座，是世界上橋梁最多的國家。

力學與材料學對橋梁技術(shù)的推動

從發(fā)展歷史來看，橋梁可以分為古代、近代和現(xiàn)代橋梁三類。隨著人們對工程技術(shù)的不斷鉆研，橋梁從材料選取到結(jié)構(gòu)設(shè)計、從建設(shè)施工到通行能力，都有了質(zhì)的飛躍。

古代橋梁

人類從什么時候開始有目的地伐木為橋或架石為橋已難以考證。從歷史上看，木材和石材在數(shù)千年間都是人類建造橋梁的主要材料。但兩種材料卻都有先天的不足，可以說，材料的發(fā)展嚴重制約了古代橋梁技術(shù)的進步。另一方面，力學基礎(chǔ)理論的缺乏也制約著橋梁的設(shè)計和建設(shè)。盡管經(jīng)典力學在18世紀左右已經(jīng)發(fā)展地較為完善，但力系的簡化和平衡的系統(tǒng)理論，即靜力學體系的建立，是潘索于1803年在《靜力學原理》中才完成的。在此之前，結(jié)構(gòu)力學和材料力學這兩大力學基礎(chǔ)分支尚未出現(xiàn)，人們無法使用力學原理來分析橋梁的承載能力，更無法進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。幾乎所有橋梁的設(shè)計都來自生活經(jīng)驗（如拱橋和梁橋），并采用最簡單的搭接和架設(shè)方式，無法形成大的跨徑，也難以設(shè)計合理的拱形。

盡管如此，古代橋梁結(jié)構(gòu)的工程探索依然出現(xiàn)了技術(shù)進步的萌芽。比如，羅馬時代出現(xiàn)了橋梁基礎(chǔ)的圍堰施工方法，即打木板樁成圍堰，抽水后在其中修筑橋梁基礎(chǔ)和橋墩；中國在11世紀初修建的洛陽橋，建設(shè)過程初期首先在橋址江中遍拋石塊，其上養(yǎng)殖牡蠣兩三年后膠固形成筏形基礎(chǔ)，這體現(xiàn)了中國古代勞動人民的智慧。

總的來說，在18世紀以前的橋梁，材料基本以木材和石材為主，嚴重制約著橋梁技術(shù)的進步。工程技術(shù)和設(shè)計理論尚處于萌芽階段。

近代橋梁

隨著18世紀前后鋼鐵和水泥的出現(xiàn)，材料的發(fā)展和工程技術(shù)的進步為橋梁技術(shù)注入了新的活力，這一時期的橋梁我們稱為近代橋梁。

世界上第一座鑄鐵橋是英國科爾布魯克代爾廠于1779年所造的塞文河橋，該橋為半圓拱，由五片拱肋組成，跨徑30.7米。中國于1705年修建了四川大渡河瀘定鐵鏈吊橋，橋長100米，寬2.8米，至今仍在使用。與此同時，橋梁設(shè)計理論也出現(xiàn)了飛躍式的發(fā)展。力學與材料學的快速發(fā)展，使得相關(guān)基礎(chǔ)理論被運用到橋梁設(shè)計中，并逐漸成為橋梁技術(shù)發(fā)展的核心推動力?？梢哉f，現(xiàn)代橋梁技術(shù)大多是建立在力學和材料學相關(guān)理論快速發(fā)展的基礎(chǔ)上的。

19世紀中葉，力學領(lǐng)域的科研人員相繼建立起橋梁的力學基礎(chǔ)理論和結(jié)構(gòu)分析理論，推動了桁架橋的發(fā)展，促使橋梁設(shè)計中出現(xiàn)多種形式的桁梁。根據(jù)桁架結(jié)構(gòu)的基本力學特點，其剛度顯著強于吊橋，這樣的特點使得桁架橋設(shè)計大量應(yīng)用于鐵路橋梁。在19世紀中葉，跨徑大于60～70米的公路橋都采用鍛鐵鏈吊橋，而鐵路橋基本都采用桁架橋的形式。

橋梁設(shè)計中的力學原理除了以承載力為代表的靜力作用之外，動力作用相關(guān)的力學原理也逐漸成為研究人員關(guān)注的重要內(nèi)容。1879年12月，剛剛建成18個月的陽斯的泰灣鐵路鍛鐵橋被大風吹倒，這一事故推動了橋梁抗風設(shè)計的研究和發(fā)展，之后的橋梁都會采用抗風構(gòu)或加勁梁的設(shè)計。如尼亞加拉瀑布公路鐵路兩用橋采用了鍛鐵索和加勁梁；紐約布魯克林吊橋采用了加勁桁架來減弱震動；舊金山金門橋和奧克蘭海灣橋也都是采用加勁梁的吊橋。

19世紀中期還出現(xiàn)了根據(jù)力學設(shè)計的懸臂梁結(jié)構(gòu)。英國人根據(jù)中國西藏木懸臂橋式，提出錨跨、懸臂和懸跨三部分的組合設(shè)想，于1882—1890年在英國愛丁堡福斯河口建造了鐵路懸臂梁橋。這座橋共有6個懸臂，懸臂長為206米，懸跨長為107米，主跨長為519米。20紀初期，懸臂梁橋曾風行一時。到了19世紀末，力學理論又有新的進展，彈性拱理論已逐步完善，促進了20世紀20—30年代修建較大跨的鋼拱橋。如貝永橋（跨徑504米）、悉尼港橋（跨徑503米）、岳門橋（跨徑305米），這三座橋均為雙鉸鋼桁拱?？梢哉f，這一時期力學理論的進步引領(lǐng)了橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本方向。

另一方面，材料基礎(chǔ)理論的進步也積極推動著橋梁工程進入新時代。比如，鋼筋混凝土橋梁的出現(xiàn)，從材料學研究的角度講，已經(jīng)初步具備了現(xiàn)代橋梁的雛形。鋼材與混凝土的協(xié)同工作，從土木工程材料學的角度來看，無異于一次技術(shù)革命。兩種材料在單獨使用的時候都有其顯著的劣勢：鋼材抗拉性能優(yōu)異，具有足夠的韌性，但抗壓穩(wěn)定性差，單獨使用容易出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象；混凝土材料抗壓性能優(yōu)異，但屬于脆性材料，抗拉性能差，使用中容易出現(xiàn)受拉或受彎開裂。鋼筋混凝土是將鋼筋埋入混凝土中受拉區(qū)的部分，讓兩者協(xié)同工作共同受力。受力過程中鋼筋抵抗拉力，混凝土抵抗壓力，協(xié)同工作，使得結(jié)構(gòu)的承載能力大幅提高。因此，1900年之后的二三十年間，出現(xiàn)了大量的鋼筋混凝土拱橋和梁橋。

現(xiàn)代橋梁

隨著預(yù)應(yīng)力混凝土和高強度鋼材在20世紀30年代登上歷史舞臺，材料理論與力學理論協(xié)同發(fā)展，在橋梁技術(shù)的進步中占據(jù)了主導地位。以預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土技術(shù)為標志，橋梁結(jié)構(gòu)從近代橋梁發(fā)展到現(xiàn)代橋梁。

法國弗雷西內(nèi)工程師在1928年提出了用高強鋼絲和混凝土制成預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土，克服了鋼筋混凝土易產(chǎn)生裂紋的缺點，使橋梁結(jié)構(gòu)能夠進一步提高承載力、控制變形，也使橋梁可以用懸臂安裝法、頂推法等新的施工方法進行建設(shè)。隨著高強鋼筋和高強混凝土的不斷發(fā)展，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋的結(jié)構(gòu)不斷改進，跨度不斷提高，也逐漸出現(xiàn)標準化的結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工方法。

隨著工程對橋梁跨徑要求的不斷提高，斜拉橋和懸索橋逐漸成為長大橋梁的主要形式。斜拉橋和懸索橋都是使用預(yù)應(yīng)力鋼絲索作為懸索，并同加勁梁構(gòu)成自錨式體系，通過鋼索將橋梁的力傳遞到主塔來承重；不同的是，斜拉橋是通過斜拉索直接將橋面的力傳遞至橋塔，而懸索橋是通過拉索垂直傳遞到主索，再由主索將力傳遞至橋塔。斜拉橋和懸索橋的設(shè)計形式為橋梁結(jié)構(gòu)提供了更大的跨越長度。

像梅勒爾貝克橋和瑪麗亞凱克橋是預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土懸索橋，馬拉開波湖橋是典型的斜拉橋結(jié)構(gòu)；瓦迪庫夫橋、帕斯科-肯納威克橋、布羅東納橋都是典型的預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。中國現(xiàn)有的著名長大橋梁也多為斜拉橋或懸索橋。如青島海灣大橋，也被稱為膠州灣跨海大橋，是中國自行設(shè)計、施工、建造的特大跨海大橋，大橋全長36.48千米，主跨為懸索結(jié)構(gòu)，曾經(jīng)是世界上最長的跨海大橋，現(xiàn)在則被剛剛通車的港珠澳大橋所取代；港珠澳大橋于2018年5月13日正式通車，主體工程全長為49.968千米，主跨為雙塔式斜拉結(jié)構(gòu)；正在建設(shè)中的滬通大橋有世界最高公鐵兩用斜拉橋主塔，正橋為兩塔五跨斜拉橋，大橋主塔高325米，采用鉆石型混凝土結(jié)構(gòu)，約100層樓房高，大橋主跨1092米，建成后將是世界上首座跨度超千米的公鐵兩用斜拉橋。

目前，從全世界范圍來看，橋梁工程依然長期處于蓬勃發(fā)展的態(tài)勢，橋梁技術(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)理論研究工作也在如火如荼進行中，越來越多的工程難點和理論問題成為研究熱點，例如橋梁結(jié)構(gòu)在服役環(huán)境中往往同時經(jīng)歷多種動力學作用，包括風荷載、車輛荷載、行人荷載、下部行船、橋梁自振等。多種動力荷載的耦合作用可能引發(fā)難以掌握的動力響應(yīng)和振動，使得橋梁經(jīng)受風-車-船-橋耦合振動作用，這一作用對橋梁結(jié)構(gòu)的影響就是非常典型的復雜動力學問題。力學和材料學方面研究工作的新進展都會給橋梁技術(shù)注入新鮮血液，大量新工藝、新材料、新設(shè)備被運用到橋梁工程建設(shè)中，推動橋梁工程的基礎(chǔ)理論、結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程建設(shè)水平不斷進步。