工程演化论——公路桥梁工程发展的历程

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一.世界桥梁的进展和风格的演化

古代桥梁在17世纪以前,一般是用木、石等天然材料建造的,并按建桥材料把桥分为石桥和木桥,近代才出现人工材料的桥梁。拱桥和梁桥是桥梁的基本桥型,拱桥依次有圆拱、尖拱、割圆拱、椭圆拱、坦拱等,梁桥大多为简支桥梁、伸臂梁。

1. 西方近代桥梁工程的进展和风格演化

近代桥梁起源于工业革命时期,随着建筑材料革命,出现了飞速进展。随着高强钢材和预应力混凝土技术的出现,现代桥梁跨入了一个新时代,见表1。

表1 工业革命时期桥梁重大创新事件

工业革命

桥梁重大创新事件

第一

1760’

1850’

蒸汽

时代

 

铁桥

1779年建成铸铁肋拱桥(铁桥峡,英)

1826年建成锻铁链杆式悬索桥(梅奈海峡,英)

 

 

 

 

 

1850’

1950’

 

 

 

电器

时代

 

 

 

钢桥

1867年建成钢桁架梁桥(哈斯富特,德)

1874建成钢拱桥(圣路易斯,美)

1883年建成现代钢悬索桥(布鲁克林,美)

混凝

土桥

1824年阿斯普丁发明水泥(英)

1867年约瑟夫·莫尼哀发明钢筋混凝土(法)

1875年建成钢筋混凝土人行桥(法)

1928年欧仁·弗莱西奈发明实用预应力技术(法)

1946年建成预应力混凝土桥(Luzancy,法)

 

1950’

 

信息

时代

工法

1953年发明挂篮悬臂浇筑工艺(Worms桥,德)

斜拉

1955年建成钢斜拉桥(斯特罗姆松德,瑞典)

1962年建成预应力砼斜拉桥(马拉开波湖,委)

英国的煤产量从1770年的600万吨上升到1800年的1200万吨,进而上升到1861年的5700万吨。同样,英国的铁产量从1770年的5万吨增长到1800年的13万吨,进而增长到1861年的380万吨。英国在1800年时生产的煤和铁就比世界其余地区合在一起生产的还多。铁已丰富和便宜到足以用于一般的建设,因而,人类不仅进入了蒸汽时代,也跨入了钢铁时代。从天然材料时代演化到人工材料时代,铸铁桥梁、锻铁桥梁、钢桥依次出现,大桥和特大桥梁建设得到长足的进展。

自从水泥发明以后,混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土等建筑材料接踵而至,广泛分布的大中小桥梁终于跳出天然木石材料的制约,出现了空前的繁荣局面,跨越河流、沟谷已是寻常之事。

桥梁建筑风格因受时代的政治、社会、经济、建筑材料和建筑技术等的制约以及建筑设计思想、观点和艺术素养等的影响而有所不同。西方建筑史中古希腊、古罗马的风格;中古时代哥特建筑风格;文艺复兴后期有运用矫揉奇异手法的巴洛克和纤巧烦琐的洛可可等建筑风格都可以在桥梁建筑中找到,见图1。

(1)远古朴素结构时期,以希腊的梁、柱和罗马的卷拱三要素的组合构成了所有建筑物的全部。古罗马时代的石拱桥,拱圈呈半圆形。

(2)农耕华丽装饰时期,刻意的以富丽繁琐甚至是纤揉琐细的装饰博取惊叹。文艺复兴时期,为方便交通,城市拱桥变坦,石料加工又趋精细(圣特里尼塔桥)。文艺复兴末期,巴洛克风格开始出现(叹息桥)。亚力山大三世铸铁拱桥虽然已进入第二次工业革命时期,还是保留了浓厚的装饰痕迹,见图2。

(3)工业革命简约时期,回归结构本质,以雄伟博大的构造物给人以震撼。英国铁桥峡的铸铁桥开创了这种风格,福斯桥也是一例,布鲁克林桥和金门桥达到了这个时期的顶峰。中国桥梁也开始接受西方建筑风格。

(4)现代概念创意时期,建筑师力图摆脱建筑物本身的制约,力求表现强烈的个性化。基于力学内涵的“基本组合桥型”已不能满足观感需求,“复合桥型”和“拓扑变换桥型”中“合并分蘖”、“弯折倾斜”都出现在这个时期。

除此以外,桥梁的动态表现、宇宙构成和社会学原理也成了桥梁概念创意的规则。巴西JK总统大桥建筑师认为桥梁直线布置不能与落日余晖相协调,选择了以猫步动态为原型的交错轴线。澳大利亚的布里斯班桥和中国四川岷江源兴川桥的构思源于“张拉整体结构”的构成法则,这是一种脱胎于“俄罗斯构成主义”再结合了“宇宙平衡原理”和“人际张力、个体压抑现象”的一种新结构。

中国桥梁也不失时机的参与了这个现代创意的行列。

西方桥梁建筑风格演化表

图1 西方桥梁建筑风格演化表

西方桥梁建筑风格演化表

 金门大桥1937年        钱塘江大桥1937年

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JK总统大桥2002年            布里斯班人行桥2010年            源兴川桥2010年

图2西方桥梁建筑风格演化图

2.中国桥梁的进展与风格演化

中国古代桥梁领先西方,秦汉时期各种桥型都初具雏形,隋唐宋时代达到鼎盛时期,一些知名桥梁例如赵州桥、虹桥都先后建成。宋代编撰了“营造法式” 是北宋官方颁布的一部建筑设计、施工的规范书,这是我国古代最完整的建筑技术书籍,标志着中国古代建筑已经发展到了较高阶段。

元明清时代是守成期,主要成绩是对桥梁的维护和修整上。近代中国闭关自守,连年征战,桥梁建设落后西方。1950年代以后中国进入经济恢复期,开始与世界接轨,1980年代以后进入世界先进行列,廿世纪末在特大桥梁建设领域攀登到世界领先地位,见表2。

我国古代建筑,其平面严谨对称,主次分明。砖墙木梁架结构,飞檐、斗栱、雕梁画栋也影响了桥梁建筑,形成中国特有的桥梁建筑风格。中国桥梁直到清代一直以木石结构为主,梁、拱桥为主要桥型,清代末期开始与世界桥梁接轨。

表2 中国桥梁工程的历史阶段与风格表

中国桥梁工程的历史阶段与风格表

 

西方桥梁建筑风格演化图

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西方桥梁建筑风格演化图

图3 中国桥梁建筑风格演化图

二.世界桥梁建设态势与政经局势的关系

1.世界近代桥梁的态势

近代世界桥梁建设经历了三个高潮(见表3),第一次工业革命造就了近代第一次桥梁建设高潮,这是一次铁和钢的新材料导致的高潮。

经过第一次世界大战短暂的低潮,美国的新政带来了第二次高潮。这次高潮在第二次世界大战期间稍有回落,但是战后美国对欧洲的经济政策,又延续了这次高潮,但是势头逐渐低落。在这一次高潮中预应力混凝土桥梁加入桥梁建设的行业。

第三次高潮起源于后发国家的崛起,亚洲国家的经济起飞,特别是中国进入改革开放时代,桥梁建设超过以前两次高潮。随着一带一路的延展,这次高潮的势头还在上升之中。在这次高潮中各种桥型都得到常足的发展,特别是斜拉桥异军突起,引领世界桥梁的潮流。

纵观桥梁建设数量,在各种桥型之中高额投资的大跨悬索桥是经济实力的试金石,三次高潮的起伏跌宕非常典型。古老而覆盖面广阔的拱桥也是随着社会政治经济态势而起伏的。梁桥是预应力技术发明以后才得到长足的进展,第一次高潮未能形成气候,第二次高潮初露头角,第三次高潮是主力军。斜拉桥是二战以后才获新生的桥型,其跨径适应范围宽广,从百米到千米都有作为,外形张扬、力度感强烈,给战后的破壁残垣带来一股积极向上的阳刚之气。其单调增长的趋势比较明显,而且增长的势头最快。这几种常见桥型的进展都预示着第三次建桥高潮来势汹涌,不可小嘘,见图4。

表3 世界近代桥梁的态势

世界近代桥梁的态势

世界近代桥梁的态势

世界近代桥梁的态势

 

图4 200年来典型桥梁建设统计图

2.中国桥梁的态势(见表4)

中华人民共和国建国之前,桥梁建设落后于西方国家,1949年以后计划经济时期是战后恢复期,公路上大量木桥需要修复或更新。公路交通部门开展了“木桥歼灭战”运动催生了“双曲拱桥”和 “火箭锥钻孔灌注桩”,前者解决了钢材匮乏的历史现状,后者在基础工程中跟上了国际钻孔灌注桩的步伐,为恢复期全国大量桥梁更新奠定了技术基础。铁路桥梁也开始了跨越长江的步伐,建成了长江公铁两用桥,沟通大江南北陆路交通。

廿世纪八十年代初国家批准公路“贷款修路,收费还贷”的政策,拉动中国公路桥梁建设进入快速增长期,七大流域——海河流域、淮河流域、太湖流域、松辽流域、黄河流域、长江流域、珠江流域——干流桥梁全面启动,舟山、洋山、青岛、港珠澳连岛桥梁工程相继开工,中国从桥梁大国跨入强国行列。

廿一世纪中国倡议“一带一路” 合作发展的理念和倡议筹建 “亚洲基础设施投资银行”,中国将带动世界桥梁建设,继续推动第三次世界桥梁建设的高潮。

表4 中国当代公路桥梁建设与经济发展的关系

阶段

年代

时期

公路桥梁代表事件

 

第一

阶段

 

52-58

 

计划

经济

时期

 

1957年长江中游第一座公铁大桥建成

 

59-63

公路木桥歼灭运动诱发

河南火箭锥钻孔灌注桩诞生

江苏双曲拱桥诞生

64-76

1968年长江下游第一座公铁大桥建成

 

 

 

 

第二

阶段

77-80

恢复性

增长期

黄河、淮河、湘江、珠江等内河

现代桥梁建设高潮开始

81-90

回落

振荡期

198412月国务院批准“贷款修路,收费还贷”

1990年四川钢管混凝土拱桥起步

 

 

91-93

 

快速

增长期

1991年长江中游鄂段、下游皖段大桥建设高潮开始,以斜拉桥为主导桥型;

上游岷江口以下大桥建设高潮开始,

拱、梁、索桥并举;

1992年江()入海口桥大桥开始起步(虎门)

 

94-01

 

软着陆

1994年长江下游江苏段大桥建设高潮开始

并以索桥为主导桥型;

长江、黄河桥梁建设达到高潮。

02-13

经济

高涨期

连岛大桥高潮

(舟山、洋山、青岛、港珠澳)

第三

阶段

14

开始

常态

时期

筹建“亚洲基础设施投资银行”

“一带一路”桥梁建设高潮开始

 

 

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文摘

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