桥梁的历史发展

桥梁是道路的一个组成部分。从工程技术的角度来看,桥梁的发展可以分为古代、近代和现代三个时期。在原始时代,人类利用自然倒下的树木、自然形成的石梁或石拱、从溪流中伸出的岩石、生长在山谷岸边的藤蔓等穿越水道和峡谷。很难考证人类是什么时候有目的的砍树造桥或者堆石头立石头造桥的。古巴比伦王国在公元前1800年(公元前19年)建造了一座多跨木桥。据史料记载,中国在周朝(公元前11世纪~公元前256年)就已经有了梁式桥和木浮桥,如公元前1134年前后,西周时期渭水就有了浮桥。该桥长183米。古罗马于公元前621年建造了一座横跨台伯河的木桥,于公元前481年建造了一座横跨赫勒海峡的浮桥。在古代美索不达米亚,公元前4世纪修建了一座石拱桥(有阶梯状拱腹)。

17世纪以前,古代桥梁一般用木材和石材建造,桥梁按建筑材料分为石桥和木桥。

石桥的主要形式是石拱桥。据考证,我国东汉时期(公元25-220年)就出现了石拱桥,如出土的东汉砖画像,刻有拱桥图形。赵州桥(又名安济桥),建于公元605 ~ 617年,净距37米,是第一座主拱圈上有小腹拱的空腹(开肩)拱。我国古代石拱桥的拱圈和墩一般较薄较轻,如宝带桥,建于816 ~ 819年,全长317米,墩薄拱平,结构精巧。

在罗马时代,欧洲建有许多拱桥。早在公元前200年~公元200年,罗马台伯河上就修建了8座石拱桥,其中包括公元前62年修建的法布里奇奥石拱桥,两跨24.4米。公元98年,西班牙建造了52米高的阿尔桥。此外,还有许多石拱桥水道桥,如法国现存的Garde导流桥,建于公元前1世纪。桥分三层,底部7孔,跨度16 ~ 24米。在罗马时代,拱桥多为半圆形,跨度小于25米,墩宽,约为拱跨的三分之一。

罗马帝国灭亡数百年后,欧洲的桥梁建设进展甚微。11世纪后,尖拱技术从中东和埃及传到欧洲,欧洲开始出现尖拱桥,如1178 ~ 1188修建的阿维尼翁桥,是一座20跨的尖拱桥。英国1176 ~ 1209年建造的泰晤士河大桥是一座19跨度约7米的尖拱桥。西班牙在13世纪建造了许多拱桥,比如托莱多的圣丁桥。除了圆拱和割线拱,拱桥还包括椭圆拱和平拱。建于公元1542年至1632年的法国皮埃尔桥,为七孔不等跨椭圆拱,最大跨度约32米。当时流行椭圆形拱门。1567 ~ 1569佛罗伦萨的圣特里尼塔修建了一座三跨平拱桥,高跨比1∶7。建于11 ~ 17世纪的桥梁,有的桥面两侧有店铺,如威尼斯的里亚托桥。

石梁桥是石桥的另一种形式。中国陕西Xi附近的灞桥原名石梁桥,建于汉代,距今已有2000多年。从11到12世纪,南宋全州地区修建了数十座大型石梁桥梁,包括洛阳桥和安平桥。安平大桥(五里桥)原长2500米,362孔,现长2070米,332孔。英国达特穆尔现存的一些石板桥已经有2000多年的历史了。

早期的木桥,绝大部分木桥都是梁式桥,比如秦代在渭河上修建的魏桥,就是多跨梁式桥。木梁桥跨度不大,支腿木桥可以加大跨度。公元3世纪,中国在甘肃安西和新疆吐鲁番交界处修建了一座“长150步”的舷外木桥。405年至418年,甘肃临夏附近修建悬臂木桥,河宽40尺,桥高达50尺。八字木桥和拱形木桥的跨度也可以加大。16世纪的巴萨诺桥是一座八字形木桥。

木拱桥出现的比较早。公元104年在匈牙利多瑙河上修建的图拉真木拱桥有21孔,每孔跨度36米。中国在河南开封修建的虹桥,净距约20米,也是一座木拱桥,建于公元1032年。日本人在岩国金川江修建的缎带桥是一座五孔木拱桥,是在公元300年左右,在来自中国的高僧独立禅师戴满恭的帮助下修建的。

中国西南有竹条做成的竹索桥。著名的竹索桥是四川省冠县的竹浦桥。该桥有8孔,最大跨度约60米,全长330多米。它建于宋朝以前。

古代桥梁基础,罗马时代采用围堰法,即把木板堆成围堰,抽水后在其中修建桥基和桥墩。建于1209的英国泰晤士河拱桥基础采用围堰法施工。但当时只用人工打桩抽水,地基较浅。中国11世纪初,著名的洛阳桥在桥址把石头扔得满河都是,在上面养了两三年的牡蛎后,筏基就胶结起来了,这是一个创举。公元18世纪铁的生产和铸造为桥梁提供了新的建筑材料。但铸铁抗冲击性差,抗拉强度低,容易断裂,不是很好的造桥材料。20世纪50年代以来,随着酸性转炉炼钢和平炉炼钢技术的发展,钢材成为重要的造桥材料。钢材具有较高的抗拉强度和良好的抗冲击性能,特别是19年代钢板和矩形轧制断面钢材的出现,为工厂组装桥梁构件创造了条件,使钢材得到广泛应用。

18世纪初,通过混合和煅烧石灰、粘土和赤铁矿,发明了水泥。20世纪50年代19在混凝土中放置钢筋,弥补水泥抗拉性能差的缺陷。此后,这座钢筋混凝土桥于19年的70年代建成。

现代桥梁建设促进了桥梁科学理论的兴起和发展。1857年,Saint-Werner在前人对拱理论、静力学、材料力学研究的基础上,提出了比较完整的梁理论和挠理论。在此期间,连续梁和悬臂梁理论也相继建立。对沃伦桁架和豪桁架等桥梁桁架的分析也得到了解决。65438+70年代以后,在德国人K. cullmann、英国人W . j . m . m . Rankin和J. C. Maxwell的努力下,结构力学有了很大的进步,可以分析桥梁构件在荷载作用下的应力。这些理论的发展促进了桁架、连续梁和悬臂梁的发展。到19年底,弹性拱理论得到完善,推动了拱桥的发展。20世纪20年代土力学的兴起推动了桥梁基础的理论研究。

现代桥梁分为木桥、石桥,还有铁桥、钢桥、钢筋混凝土桥。

木桁架存在于16世纪之前。1750年,瑞士修建了许多拱桁结合的木桥,如莱希瑙桥,跨度73米。18世纪中叶至19世纪中叶,美国修建了许多木桥,如1785年在佛蒙特州贝洛兹福尔斯的康涅狄格河上修建的第一座木桁架桥,两跨,每跨长55米;1812费城斯库尔基尔河上建造的拱桁组合木桥,跨度104m。桁架桥因省去了拱和斜撑结构,简化了结构而被广泛应用。由于桁架理论的发展,各种形式的桁架木桥相继出现,如普拉特式、豪式、唐式等。因为木桥用了很多铁,不如全用铁经济。因此,木桥在19世纪后期逐渐被钢桥取代。

铁桥包括铸铁桥和锻造铁桥。铸铁比较脆,适合压缩,不适合拉伸,适合拱桥建设。世界上第一座铸铁桥是英国科尔布鲁克戴尔工厂建造的塞文河大桥。建于1779,为半圆拱,由五根拱肋组成,跨度30.7米。锻铁的拉伸性能比铸铁好。19世纪中叶,锻造铁链悬索桥用于跨度超过60 ~ 70米的公路桥。由于悬索桥刚度不足,铁路采用桁架桥。比如英国1845 ~ 1850修建的布列塔尼复线铁路桥,就是箱型锻造铁梁桥。19世纪中叶以来,梁理论和结构分析理论相继建立,推动了桁架桥的发展,出现了各种形式的桁架梁。但当时对桥梁抗风的认识不足,桥梁一般不采取防风措施。1879 18个月前,杨家的台铁锻造铁桥在强风吹倒后建成,因为桥上没有设置横向连续的抗风结构。

中国于1705在四川大渡河上修建了泸定铁链悬索桥。这座桥长100米,宽2.8米,至今仍在使用。欧洲第一座链式悬索桥是英国的蒂斯河大桥,建于1741,跨度20米,宽0.63米。1820年至1826年,英国在威尔士北部的梅奈海峡修建了一座中孔177米的悬索桥。该桥因缺少加劲梁或抗风结构,于1940重建。世界上第一座用铁索代替链条建造的悬索桥是瑞士的弗里堡大桥,建于1830 ~ 1834,跨度233米。本桥用2000根铁丝原地放线,从塔上悬吊下来,锚固在18米深的锚固坑内。

1855,美国尼亚加拉瀑布公路铁路桥建成。这座桥是一座锻铁缆索加劲梁的悬索桥,跨度250米。从1869到1883,美国建造了纽约布鲁克林的悬索桥,跨度为283+486+283米。这些桥梁的建设提供了使用加劲桁架来减少振动的经验。此后,美国建造的大跨度悬索桥都采用加劲梁来增加刚度,如1937年建造的旧金山金门大桥(主孔长1280米,侧孔长344米,塔高228米),同年建造的旧金山奥克兰海湾大桥(主孔长704米,侧孔长354米,塔高628米)

1940美国华盛顿州塔科马海峡大桥建成。大桥主跨853米,边孔335米,加劲梁高2.74米,桥宽11.9米。同年10月7日,165438,风速只有67.5km/h时,这座桥的中间孔和边孔被风吹倒。这一事件促使人们研究空气动力学和桥梁稳定性之间的关系。

钢桥美国密苏里州圣路易斯市密西西比河上的伊兹桥,建于1867 ~ 1874。为早期公铁两用铰接式钢桁拱桥,跨度153+153米。这座桥在架设时采用了悬臂安装的新技术。拱肋悬挂在桥墩两侧,由桥墩上临时木排的吊索拉动,一根一根拼接,最后连接跨中两拱。基础用气压沉箱下沉到岩层33米。由于缺乏安全措施,导致119发生严重沉箱病害,14人死亡。19年底,弹性拱理论逐渐完善,推动了20世纪二三十年代大跨度钢拱桥的建设。比较著名的有:纽约的月门大桥,建于1917,跨度305m纽约北永大桥,建于1931年,跨度504米;澳大利亚悉尼港湾大桥,建于1932,跨度503米。三座桥都是双铰钢桁架拱。

按照力学设计的悬臂梁出现在19世纪中叶。英国人根据中国的西藏木悬臂桥,提出锚跨、悬臂跨、悬跨相结合的设想,在英国爱丁堡福斯河口1882至1890处修建铁路悬臂梁桥。这座桥有六个悬臂,悬臂长206米,悬臂跨度107米,主跨519米。20世纪初,悬臂梁桥风靡一时,如美国纽约昆斯堡大桥1901909。为悬臂桥,中锚跨190米,悬臂跨150米,悬臂跨180米。加拿大魁北克大桥,建于1900 ~ 1917,也是悬臂钢桥。1933完成的丹麦小航道桥为五孔悬臂梁公铁两用桥,跨度为137.50+165+200+165+137.5米。

1896比利时工程师弗伦代尔发明了空腹桁架桥。比利时建造了几座铆接焊接的空心桁架桥。

钢筋混凝土桥

从1875到1877,法国园丁Moniere修建了一座人行钢筋混凝土桥,桥跨16m,桥宽4m。1890年德国不来梅工业展展出一座跨度40米的人行钢筋混凝土拱桥。1898,沙斯特罗钢筋混凝土拱桥建成。这座桥是三铰拱,跨度52米。1905年,瑞士塔瓦纳萨大桥建成,跨度51米,为箱形三铰拱桥,高5.5米。1928年,英国在贝里奇罗亚尔特韦德建造了一座4跨钢筋混凝土拱桥,最大跨度为110米。1934年,瑞典建成了跨度181m,高26.2m的特拉贝里拱桥:1943年,建成了跨度264米,高近40米的桑德拱桥。

在桥梁基础的建造中,竖井在18世纪开始使用。英国维修威斯敏斯特拱桥时,将木制沉箱浮至桥位,然后用石块将其沉入,再进行地基和桥墩的维修。1851年,英国肯特郡罗切斯特市修建梅德韦大桥时,首次使用了压缩空气沉箱。从1855到1859,在康沃尔索尔塔什建造皇家阿尔伯特大桥时,使用了直径为11 m的锻造铁圆筒,圆筒下设置了压缩空气沉箱。1867年,美国修建伊兹河大桥,也是用压缩空气沉箱建造基础。在压缩空气沉箱法施工中,如果工人长时间在压缩空气的条件下工作,或者突然从没有减压室的压缩空气箱中出来,或者减压过快,就容易发生沉箱病。

1845后,蒸汽打桩机开始用于桥梁基础施工。20世纪30年代,预应力混凝土和高强度钢材相继出现,材料塑性理论和极限理论、桥梁振动、空气动力学和土力学的研究取得了很大进展。从而为节约桥梁建筑材料、减轻桥梁重量、预测基础下沉深度和确定其承载力提供了科学依据。现代桥梁按建筑材料可分为预应力钢筋混凝土桥、钢筋混凝土桥和钢桥。

预应力钢筋混凝土桥1928,法国Fraissinet工程师经过20年的研究,用高强度钢丝和混凝土做出了预应力钢筋混凝土。这种材料克服了钢筋混凝土易开裂的缺点,使桥梁可以采用悬臂安装顶推法施工。随着高强钢丝和高强混凝土的不断发展,预应力钢筋混凝土桥梁的结构和跨度不断提高。

预应力钢筋混凝土桥梁有简支、连续、悬臂、拱、桁、刚架和斜拉桥。简支梁桥的跨度大多在50米以下。连续梁桥,如1966建成的法国奥莱龙大桥,为预应力混凝土连续梁桥,共26跨79米。建于1982的美国休斯敦船台大桥是一座中跨229米的预应力混凝土连续梁高架桥,采用平衡悬臂法施工。悬臂梁桥,如1964年联邦德国在克布伦茨修建的本多夫桥,主跨209米;日本滨明大桥,1976竣工,主跨240米;重庆长江大桥,国内1980竣工,主跨174m。桁架桥,如建于1960年的联邦德国蒙法尔山谷桥,跨度为90+108+90米,是世界上第一座预应力混凝土桁架桥。1966年,苏联建成了一座预应力混凝土桁架连续桥,跨度为106+3×166+106米。建造于1957的法国图卢兹圣米歇尔大桥等刚性桥梁采用浮运法建造。1974建成的法国Bonhome大桥,主跨186.25m,是目前跨度最大的预应力混凝土刚构桥。预应力钢筋混凝土悬索桥是由预应力梁和加劲梁中的预应力钢丝绳组成的自锚式体系。比利时根特的梅勒贝克桥和玛利亚凯克桥建于1963,主跨分别为56米和100米,为预应力钢筋混凝土悬索桥。委内瑞拉马拉开波湖大桥等斜拉桥建于1962。该桥为5孔235米连续梁,悬臂梁由悬挂在A型塔上的预应力斜拉索吊装。斜拉桥的梁悬挂在由拉索组成的多弹性支座上,可以降低梁高,提高桥梁的抗风和抗扭振能力。主梁可以用缆索安装,有利于过河,所以应用广泛。预应力混凝土斜拉桥,如利比亚1971修建的瓦迪科夫桥,主跨282米;1978美国建造的华盛顿州哥伦比亚河上的帕斯科-肯纳威克大桥,主跨299米;1977法国建造的塞纳河上的Brotons桥,主跨320米。我国已建成十余座预应力混凝土斜拉桥,其中建于1982的山东济南黄河大桥主跨220米。

钢筋混凝土桥梁二战后,世界上修建了许多大跨度钢筋混凝土拱桥,如葡萄牙的亚拉达拱桥,于1963通车,跨度270米,矢高50米。澳大利亚悉尼港的格莱兹堰桥,1964竣工,跨度305米。

中国在1964创造了钢筋混凝土双曲拱桥。桥梁由拱肋和拱波组成,纵向和横向都有曲率,横向也采用拱波。拱肋和拱波是分段预制的,所以可以用轻型吊装设施安装。这样,在没有重型运输和重型起重设备的情况下,也可以建造大跨度拱桥。第一座试验性双曲拱桥在中国江苏无锡建成,跨度9米。从此,湖南长沙湘江大桥建成1972。为双曲拱桥,跨度16,大孔跨度60米,小孔跨度50米,全长1250米。

钢筋混凝土桁架拱桥是由拱和桁架组成的结构,材料少,重量轻,施工简单。

二战后,随着强度高、韧性好、抗疲劳性和耐腐蚀性好的钢材的出现,由平板钢板焊接而成、用角钢和板钢加劲的轻型高强度正交异性板桥的出现,以及高强度螺栓的应用,钢桥有了很大的发展。

钢板梁、箱型钢梁与混凝土的桥梁,正交异性板桥与箱型钢梁的桥梁,在大中跨径桥梁中应用广泛。联邦德国1951修建的杜塞尔多夫-诺伊斯大桥是一座正交异性板板箱梁,跨度206米。65438-0957年在联邦德国修建的杜塞尔多夫北桥是一座6孔72米钢板梁桥。南斯拉夫1957年修建的贝尔格莱德萨瓦河大桥,为钢板梁桥,跨径75+261+75米,倒U型梁。1973法国建造的马蒂格斜腿刚构桥,主跨300米。65438年至0972年建于意大利的斯法拉沙桥,跨度376米,是目前世界上最大的钢斜腿刚构桥。1966美国完成的俄勒冈州阿斯托里亚大桥,是一座跨度为376米的连续钢桁梁桥。1966日本建造的门桥是一座跨度为300米的连续钢桁梁桥。1968中国建造的南京长江大桥是一座兼具公路和铁路功能的连续钢桁梁桥。主桥长128+9×160+128米。日本于1972年建成的大阪港港口桥,为悬臂钢桥,长980m。由235m锚孔、162m悬臂孔和186m悬挂孔组成。美国1964年建成的纽约维多利亚拉扎诺悬索桥,主孔1298m,塔高26548。1966英国建造的塞文吊桥,主孔985米。根据风洞试验,该桥首次采用梭形正交异性板箱形加劲梁,梁高仅3.05米。1980在英国建成的亨比尔悬索桥,主跨1410米,同样采用梭形正交异性板箱型加劲梁,梁高仅3米。

20世纪60年代后,钢斜拉桥发展起来。第一座钢斜拉桥是瑞典建造的斯特伦德松海峡大桥,建于1956,跨度74.7+182.6+74.7米。塔身左右两侧各有两根斜拉索,钢筋混凝土板和焊接钢板梁组合成纵梁。联邦德国1959年修建的科隆钢斜拉桥,主跨334米。1971英国建造的厄斯金钢斜拉桥,主跨305米;1975法国建造的圣纳泽尔桥,主跨404米。这座桥的缆索排列成密集的束,减少了使节之间的长度和横梁的高度,横梁只有3.38米。通过提高钢斜拉桥的抗风抗震性能,其跨度逐渐增大。

钢桥的基础多采用大直径桩或薄壁轴建造。