中国桥梁技术发展史（讲义）

中国桥梁技术发展史 中国桥梁技术发展史，从晃悠悠的木制，到坚固的石制，从跨越小河沟到横跨大水系，中国桥梁经历了从简单的跨水通道到跨越山涧、不良地质或满足其他交通需要便捷交通的建筑物的发展过程 俗语说：“逢山开路，遇水搭桥。”可见对于人们的交通而言，在自然界中的主要障碍便是山与河，而建筑桥梁，无疑是突破河流天堑的最主要且最有效的手段。在科学技术飞速发展的今天，各种巧夺天工的大小桥梁星罗棋布，为人们的出行提供了便利的条件。那么，桥是如何起源的？它在我国古代又是如何发展进而达到顶峰的呢？ 一、中国古代桥梁技术的发展 据考古发掘分析，中国真正意义上的桥梁诞生于氏族公社时代，也就是距今4000至6000年前。经过数千年的发展，在东汉时期，基本形成了梁桥、拱桥、吊桥、浮桥四种桥梁基本体系。进人隋、唐、宋时期，古代桥梁建筑技术达到了巅峰，随后的元、明、清三代，将前代的造桥技术进行了全面总结，初步形成了各种桥型的设计、施工规范。19世纪后期，随着工业革命成果的传播，以砖、木为主要材料的古代桥梁渐渐出历史舞台。 梁桥以其结构简单、建造方便，在桥梁史上最早出现。考古发现，陕西省西安的半坡村遗址已有独木、排木梁桥存在的可能。由此上溯两千年，浙江省河姆渡遗址就已经有了木构梁桥存在的迹象。原始公社时代生产力低下，因使用的工具绝大部分是石制工具，又称石器时代只能对木材进行粗糙的加工，以木梁桥跨越天堑是唯一的选择。 在陕西西安半坡村大约距今有四千多年的新石器时代的遗址中，发现密集分布的圆形住房四、五十座，而在这些建筑物的周围，挖有深宽各约五六米的大围沟。考古学家们推测，当年在大围沟中可能有水，主要起防御的功能。当时的人们为了出行，应该在大围沟上架有桥梁。而依据其时的技术水平，大概是用几根原木搭成的简支桥梁。 经过了漫长的数千年，铁器时代的来临，才使加工大型石料成为可能，石材成为主要的建筑材料，石梁桥才应运而生。同时，铁制工具对木材的加工也更为精细，许多规模宏大，加工精美的木梁桥开始出现。建于公元22年的灞桥，计67跨，以石为墩，以木为梁，是石木完美结合的代表作。几乎与此同时，广西、浙江等地出现了两三块条石铺就的石墩石梁桥。 东汉以后，尤其是隋、唐、宋三代拱桥的异军突起，一度使梁桥黯然失色，但石梁桥仍以它结构简洁、稳定，石材加工简单，建造方便，造价低廉的优势，在许多运输便利，石料充足的地区广泛采用，其技术成就和艺术成就同样达到了极高的水准。如山西省太原晋祠的鱼沼飞梁，其建造之精美，结构之独特，在中国桥梁史上绝无仅有。 在福建沿海地区，长大的跨海桥梁也多采用石梁结构，长十余米，重达数吨的石梁，依仗着便利的水上运输送达桥址，再利用潮汐的涨落架设石梁，建成了长达千余米，甚至两千余米的长桥，其中，福建省泉州市的洛阳桥、安平桥最负盛名，值得一提的是洛阳桥，不仅首开中国跨海石梁桥的先河，还首创了以牡砺胶结基础的殖砺固基法和稳固的筏型基础，这一发明保证了桥梁在近千年惊涛骇浪、沧海桑田的洗礼之后仍屹立不倒。 木梁桥由于材料的耐久性差，在石梁桥兴起之后建造的越来越少。但在大型石材采集、运输不便的地方，人们发明了一种更为新颖、实用的木梁廊桥。在唐、宋时代建筑技术全面进步的基础上，桥上盖屋，以瓦覆之，不仅保护了木梁不受风雨侵蚀，也避免了路人栉风沐雨之苦。浙江省的百梁桥、熟溪桥当属此类的佼佼者；后世的广西壮族自治区三江程阳桥更是以其规模宏大，设计奇巧，风格独树一帜而闻名于世。 简支梁桥由于受材料实用尺寸的限制，不可能建造大跨径桥梁，为了增大跨径，减少墩台，悬臂梁桥应运而生。悬臂梁是在木端施以重压，另端伸向对岸，节节伸出，然后在两个悬臂端之间架简支梁，从而达到增加跨径的目的。 拱桥在桥梁史上出现的时间最晚，但是流风所及，不仅主导了古代桥梁的发展走向，也在现代桥梁体系独树一帜。 砖的发明有人认为始于东汉，但据考古发掘，中国早在战国时期(公元前475年至公元前221年)就已经出现了砖幕室。砖的发明是建筑史上的一次革命，砖与石、木不同的不仅仅在于它是人造建材，更在于它便于成型，外观整洁，尺寸规范，易于施工，这就为拱的发明提供了物质基础。世界上对拱结构的起源众说不一。或认为起源于自然界溶洞天然拱，或认为起自崩落的堆石拱，或认为由于砌墙开洞，逐渐由假拱演变而成。 现存有文字记载最早的桥梁一方顺桥是一座石拱桥，建于公元309年，晚于东汉砖拱顶100多年，规模已相当宏大，长13米，宽8米，大拱跨径达13.3米，远远超出了同时代石梁桥的跨径。 石拱桥是在墩台之间以拱形构件承重，构件在承受荷载时，墩台支点处产生水平推力，使拱内产生轴向压力，减小了跨中弯矩，使石材的耐压特性得以充分发挥，因此石拱的跨越能力大大高于石梁桥，从而提高了桥梁跨径。石拱桥的出现使中国古代桥梁进人了一个新纪元。 这个新纪元的扛鼎之作——赵州桥，一举将中国古代石拱桥技术提高到一个令人瞠目的程度。建于隋朝的赵州桥是一座单孔空腹坦拱石拱桥，主桥孔净跨37.02米，净高7.23米，跨比达到1比5.12，是一座很坦的圆弧拱桥，全桥长50.83米，宽9米，主拱圈并列28道，拱厚1.03米，拱石长1米，最大重量为1吨。在主拱圈之外，镶有自拱脚处厚度为24厘米、拱顶处厚度为16厘米的变厚度护拱石。护拱石在空腹段为满铺，实腹段仅镶于桥的两侧。拱圈外形尤如变截面拱。为减轻桥梁自重，大拱之上，两侧各伏有两个小拱。靠近拱脚处的小拱，净跨为3.8米，另一小拱净跨为2.85米，圈石厚65厘米。每个小拱圈的东西两外侧，各铺设一层厚约16厘米的护拱石。小拱亦为并列砌筑。赵州桥的石拱桥跨径纪录，直到1959年湖南黄虎港桥的建成才被打破，长达1300余年。赵州桥制作精良，结构独创，造型上既稳重又轻巧，正如桥头关帝阁两楹对联所写：船从碧玉环中过，人在苍龙背上行。赵州桥的建成令当时相当杰出的小商桥、桥楼殿桥都黯然失色，不仅如此，其桥式成为后世建造单孔空腹坦拱石拱桥的范本。 厚墩联拱石拱桥的出现略晚于空腹式石拱桥。从技术结构上讲，厚墩联拱是单拱的集合体，每拱单独受力，一拱受力或受损，不及其他，台粗大厚重，承重能力很强，特别适合北方以车为主要交通工具地区，此外，这种桥式还具有较强的抵御洪水冲击能力，因此在南方山区亦很实用。著名的北京市的卢沟桥、云南省的双龙桥均属此列。北京市颐和园十七拱桥也采用这种桥式，可能是要体现皇家园林的气派，昭示帝王基业的稳固，并无实际价值。 与厚墩联拱相对应的是薄墩联拱石拱桥，多见于南方软基水网地区，一般采用木桩基础的柔性墩台，一孔受力，引起桥墩变形，将力传递到相邻拱圈，令体拱协助受力，分解了作用在墩台上的水平推力，这种结构减少了墩台重量和体积，不仅降低了水下工程量，也便利船只航行。此类桥式在以水运为主要交通方式的江浙地区非常多见，其中最著名的是建于唐朝的苏州宝带桥。 石拱桥是中国古代桥梁建设中最普遍采用的结构形式，拱圈类型也多种多样，浙江省县公元1836年建成的玉成桥，其石拱已呈现代拱桥常用的悬链线状，接近现代拱桥，中国古代拱桥的技术成就由此可见一斑。 吊桥又称索桥，是跨越能力最强的桥式，多见于中国西南高山峡谷、水流湍急的地区。吊桥种类很多，根据索材，可分为藤索吊桥、竹索吊桥和铁索吊桥等；根据结构，可分为单索、双索、三索、多索，单跨、双跨和多跨等等。其中多索单跨、双跨铁索桥最为常见。 藤索吊桥出现的年代最早，但由于桥的规模较小，又地处深山峡谷，少有文献记载。专家根据科技发展规律判断：无须过多加工，耐拉能力很强的天然藤条应该是人类最早利用的索材。有些藤条自然生长攀越峡谷，形成天生吊桥，但无论天生吊桥还是人工藤索桥都是简易桥梁，牲畜都很难通过，可谓吊桥的雏形。 竹索桥的出现晚于藤索桥，顾名思义是以竹蔑为索材。公元前3世纪，西蜀太守李冰在成都附近建造七桥，其中一座为竹索吊桥，后世文献多有记载，可见规模不小，且至少存在了600年。最著名的竹索桥是四川省都江堰安澜桥，始建年代不详，宋代前名珠浦桥，宋初用竹索建吊桥，改名评事桥，明末改桥为渡，名伏龙渡，清朝嘉庆八年(公元1803)用竹索重修索桥，名为安澜桥，20世纪70年代改建为钢索桥。关于竹索吊桥，在西南竹乡有不少记载，由于索材易腐，现已很难见到。 在冶铁技术成熟以前，许多地方就地取材，建成了各种各样的吊索桥。最特殊的要数西藏自治区日喀则以牛皮为主索的彭错岭索桥，它建于1800年前，长达230米，利用地形在江心设墩，飞渡雅鲁藏布江，吊索以牛皮拧搓而成，涂以酥油，历久不腐，直到20世纪七十年代才更换成铁链，值得一提的是其江心石墩，以乱石干砌，底部以巨木为桩，插于江心，迎千年激流而不溃，在世界桥梁史上堪称一绝。 随着冶铁技术的普及，以铁索为主要索材的铁索桥才使吊桥真正成为一个独立桥式，与梁桥、拱桥比肩而立。中国铁索桥最早的记载出现在唐朝，但留存至今的大部分为明朝所建。建于1475年的霁虹桥，位于云南省保山永平县博南古道的兰津渡口，跨澜沧江，是中国最早的有详细文字记载的铁索桥之一。 中国最著名的铁索吊桥是四川省甘孜的泸定桥，跨径达100米，是中国古桥中跨径最大的桥梁之一，由13根铁链组成，4根为两侧护栏，9根底索并排横越大渡河，上铺木板成为桥面宽达3米，铁索两端绕过石砌桥台顶部，锚固于桥台背后底部，这种锚固形式在古代铁索桥中最为常见。中国古代吊桥数量不多，但建造工艺非常领先，这也为现代悬索桥提供了宝贵启示。 浮桥是在江河之上联结可浮体的一种特殊桥型，又称舟桥、桥航。一般为临时桥梁，适用于宽阔的大江大河，在黄河、长江上曾建过不少，但现已不存。 浮桥以船为主体，以竹缆、铁链联结，上铺木板，供行人车马通行，为加强稳定性，竹缆、铁链需在两岸锚定。山西省蒲津渡浮桥以竹索系船，始建于公元前257年，是有记载的第一座固定式浮桥，至唐开元十二年(公元724年)改竹索为铁链。在东岸和河心洲上各铸4牛4人以锚挂铁链，再系上巨船成浮桥。1989年在山西省永济发掘出唐代蒲津浮桥东岸，锚锭浮桥铁索的4头各10多吨重的4个真人大小的铁人，铸造精良，气韵生动。因铁牛铸于唐朝开元年间，故称开元铁牛，此桥当时是黄河上的重要通道。 浮桥历史悠久，但由于其本身稳定性差、阻碍通航、易于损坏，现在已很少建造，大多因军事用途而临时搭建，不能成为主流桥型。 　　总之，中国古代辉煌的造桥技术，特别是石拱桥的建造技术，为现代桥梁建设定了良好的基础，许多工艺、经验和理论仍在现代桥梁建设中得以运用。 二、中国近现代桥梁技术的发展 据报道，目前我国公路桥梁数量已超过80万座，高铁桥梁累计长度超过1万公里。仅宜宾以下的长江干流上，包括在建的长江大桥总数就达到130多座。 目前在世界上已建成的主跨跨径最大的前10座斜拉桥、悬索桥、拱桥和梁式桥中，我国占了一半以上，中国的桥梁建设，已经名扬海外，桥梁已成为中国建造的新名片。 旧中国的桥梁，黄河上的三座桥梁：津浦铁路济南铁路桥，京汉铁路郑州铁路桥和兰州市黄河桥以及上海、天津、广州等大城市中的一些桥梁，由于当时经济和技术比较落后，大多数都是由外商承建的。我国自行设计和制造主要有由茅以升先生主持兴建的杭州钱塘江大桥，该桥由他带领一批留学生自行设计，但实际施工仍由丹麦洋商人承包下部结构和沉箱基础工程，上部结构钢梁则由英国公司承包制造和安装，旧中国的承包商建造能力较差，而政府交通部门也没有专业大桥施工队，只能接一些公路小桥涵的工程。 1952 年建设第一座长江大桥——武汉长江大桥，使天堑变通途，中国第一片预应力混凝土也在丰台桥梁厂基地试制，并于 1956 年首先在东陇海线新沂河铁路桥上建成了跨度为 23.9米的预应力混凝土简支梁，迈出了重要的一步，武汉长江大桥采用了苏联最新的管柱基础技术，管柱有振动打桩机下沉，形成一种新型的深水基础，1957 年武汉长江大桥建成通车，它是五十年代中国桥梁的一座里程碑。 1982 年建成的陕西安康汉江斜腿钢架桥，主跨 176 米的铁路钢桥，是迄今世界同类桥梁跨度较大的， 1991年开工的上海杨浦大桥，主跨602米的结合梁斜拉桥在1994年建成时，居世界斜拉桥跨度之首，它是中国大跨度桥梁的又一里程碑，标志着中国正在走向世界桥梁强国之列。 迈入新世纪以后，建的桥梁就更多了，典型的如胶州湾大桥，是中国山东省青岛市境内黄岛区、城阳区以及李沧区的跨海通道，位于胶州湾之上，是青兰高速公路的重要组成部分之一，也是青岛市区西北部城市主干道的组成部分。 港珠澳大桥于2009年12月15日动工建设， 于2018年10月24日上午9时开通运营，港珠澳大桥东起香港国际机场附近的香港口岸人工岛，向西横跨南海伶仃洋后连接珠海和澳门人工岛，止于珠海洪湾立交；桥隧全长55千米，其中主桥29.6千米、香港口岸至珠澳口岸41.6千米，工程项目总投资额1269亿元，港珠澳大桥因其超大的建筑规模、空前的施工难度和顶尖的建造技术世界闻名。 丹阳至昆山段特大铁路桥，全球最长大桥164.8公里，开车通过需要2个小时，位于京沪高铁江苏段，起自丹阳，途径常州、无锡、苏州，终到昆山，为目前吉尼斯世界纪录所记载的世界第一长桥，是美国庞恰特雷恩湖桥的四倍多，总投资300亿，是世界第一长桥。由4500多个900吨箱梁构成，2008年4月开始灌注首根桩，2011年6月30日随全线正式开通运营。 瞩目未来，我国桥梁领域的科研人员和建设者们将继续秉持逢山开路、遇水架桥的奋斗精神，架起更多体现我国综合国力和自主创新能力的“圆梦桥”，打造民族复兴道路上更亮丽的风景。 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$