桥梁工程概论

                         ——学后感

摘要：供铁路、道路、渠道、管线等跨越河流、山谷或其他交通线使用的建筑物诸道桥梁。－－《资治通鉴·唐纪》、梁桥、拱桥、悬索桥、斜拉桥

关键词：桥梁结构、桥梁种类、历史

一、桥梁历史概述

供铁路、道路、渠道、管线等跨越河流、山谷或其他交通线使用的建筑物诸道桥梁。

－－《资治通鉴·唐纪》

在19世纪20年代铁路出现以前，造桥所用的材料是以石材和木材为主，铸铁和锻铁只是偶尔使用。在漫长岁月里造桥的实践积累了丰富的经验，创造了多种多样的形式。但现今使用的各种主要桥式几乎都能在古代找到起源。在最基本的三种桥式中，梁式桥起源于模仿倒伏于溪沟上的树木而建成的独木桥，由此演变为木梁桥、石梁桥、直至19世纪的桁架梁桥；悬索桥起源于模仿天然生长的跨越深沟而可以攀援的藤条而建成的竹索桥，演变为铁索桥、柔式悬索桥、直至有加劲梁的悬索桥；拱桥起源于模仿石灰岩溶洞所形成的“天生桥”而建成的石拱桥，演变为木拱桥和铸铁拱桥。

在有了铁路以后，木桥、石桥、铁桥和原来的桥梁基础施工技术就难于适应需要。但到19世纪末叶，由于结构力学基本知识的传播、刚才的大量供应、气压沉箱应用技术的成熟，使铁路桥梁工程获得迅速发展。20世纪初，北美洲曾在铁路钢桥跨度方面连创世纪记录。到第二次世界大战之前，公路钢桥和钢筋混凝土桥的跨度记录又都超过了铁路桥。

第二次世界大战以后，大量被破坏的桥梁急待修复，新桥急需修建，而造桥钢材短缺，于是，利用30年代以来所积累的关于高强材料和高效工艺（焊接、预应力张拉及锚固、高强度螺栓施工工艺等）的经验，推广了几种新型桥——用正交异性钢桥面板的箱形截面钢实腹梁桥，预应力混凝土桥和斜张桥。

60年代以来，汽车运输猛增，材料供应缓和，科学技术迅猛发展，桥梁工程又在提高质量、降低造价、降低桥梁养护费等方面获得了改进。

二、桥梁工程发展

桥梁是道路的组成部分。从工程技术的角度来看，桥梁发展可分为古代、近代和现代三个时期。

古代桥梁

人类在原始时代，跨越水道和峡谷，是利用自然倒下来的树木，自然形成的石梁或石拱，溪涧突出的石块，谷岸生长的藤萝等。据史料记载,中国在周代（公元前11世纪～前256年）已建有梁桥和浮桥,如公元前1134年左右,西周在渭水架有浮桥。古巴比伦王国在公元前1800年建造了多跨的木桥，桥长达183米。古罗马在公元前621年建造了跨越台伯河的木桥，在公元前 481年架起了跨越赫勒斯旁海峡的浮船桥。古代美索不达米亚地区，在公元前 4世纪时建起挑出石拱桥（拱腹为台阶式）。 

古代桥梁在19世纪以前，一般是用木、石材料建造的，并按建桥材料把桥分为石桥和木桥。 

石桥　石桥的主要形式是石拱桥。据考证，中国早在东汉时期（公元25～220年）就出现石拱桥,如出土的东汉画像砖，刻有拱桥图形。现在尚存的赵州桥（又名安济桥），建于公元605～617年，净跨径为37米，首创在主拱圈上加小腹拱的空腹式（敞肩式）拱。中国古代石拱桥拱圈和墩一般都比较薄，比较轻巧，如建于公元816～819年的宝带桥，全长317米，薄墩扁拱,结构精巧。 

石梁桥是石桥的又一形式。中国陕西省西安附近的灞桥原为石梁桥，建于汉代，距今已有2000多年。公元11～12世纪南宋泉州地区先后建造了几十座较大型石梁桥，其中有洛阳桥、安平桥。安平桥(五里桥)原长2500米，362孔，现长2070米，332孔。英国达特穆尔现存的石板桥，有的已有2000多年。 

木桥　早期木桥多为梁桥，如秦代在渭水上建的渭桥，即为多跨梁式桥。木梁桥跨径不大，伸臂木桥可以加大跨径。中国 3世纪在甘肃安西与吐鲁番交界处建有伸臂木桥，“长一百五十步”。公元405～418年在甘肃临夏附近河宽达40丈处建悬臂木桥，桥高达50丈。八字撑木桥和拱式撑架木桥亦可以加大跨径。16世纪意大利的巴萨诺桥为八字撑木桥。 

木拱桥 出现较早，公元104年在匈牙利多瑙河建成的特拉杨木拱桥，共有21孔，每孔跨径为36米。中国在河南开封修建的虹桥,净跨约为20米,亦为木拱桥,建于公元1032年。日本在岩国锦川河修建的锦带桥为五孔木拱桥，建于公元300年左右,是中国僧戴曼公禅师帮助修建的。 

中国11世纪初，著名的洛阳桥在桥址江中先遍抛石块，其上养殖牡蛎二三年后胶固而成筏形基础，是一个创举。 

近代桥梁

18世纪铁的生产和铸造，为桥梁提供了新的建造材料。但铸铁抗冲击性能差,抗拉性能也低,易断裂，并非良好的造桥材料。19世纪50年代以后，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。钢的抗拉强度大，抗冲击性能好，尤其是19世纪70年代出现钢板和矩形轧制断面钢材，为桥梁的部件在厂内组装创造了条件，使钢材应用日益广泛。 

18世纪初，发明了用石灰、粘土、赤铁矿混合煅烧而成的水泥。19世纪50年代，开始采用在混凝土中放置钢筋以弥补水泥抗拉性能差的缺点。此后，于19世纪70年代建成了钢筋混凝土桥。 

近代桥梁建造，促进了桥梁科学理论的兴起和发展。1857年由圣沃南在前人对拱的理论、静力学和材料力学研究的基础上，提出了较完整的梁理论和扭转理论。这个时期连续梁和悬臂梁的理论也建立起来。桥梁桁架分析(如华伦桁架和豪氏桁架的分析方法)也得到解决。19世纪70年代后经德国人K.库尔曼、英国人W.J.M.兰金和J.C.麦克斯韦等人的努力,结构力学获得很大的发展,能够对桥梁各构件在荷载作用下发生的应力进行分析。这些理论的发展，推动了桁架、连续梁和悬臂梁的发展。19世纪末，弹性拱理论已较完善，促进了拱桥发展。20世纪20年代土力学的兴起，推动了桥梁基础的理论研究。 

混凝土桥的发展过程，1875～1877年，法国园艺家莫尼埃建造了一座人行钢筋混凝土桥，跨径16米,宽4米。10年，德国不莱梅工业展览会上展出了一座跨径40米的人行钢筋混凝土拱桥。18年，修建了沙泰尔罗钢筋混凝土拱桥。这座桥是三铰拱，跨径52米。1905年，瑞士建成塔瓦纳萨桥,跨径51米,是一座箱形三铰拱桥，矢高5.5米。1928年,英国在贝里克的罗亚尔特威德建成 4孔钢筋混凝土拱桥，最大跨径为110米。1934年，瑞典建成跨径为181米、矢高为26.2米的特拉贝里拱桥;1943年又建成跨径为2米、矢高近40米的桑德拱桥。 

桥梁基础施工，在18世纪开始应用井筒，英国在修威斯敏斯特拱桥时，木沉井浮运到桥址后，先用石料装载将其下沉，而后修基础及墩。1851年，英国在肯特郡的罗切斯特处修建梅德韦桥时，首次采用压缩空气沉箱。1855～1859年，在康沃尔郡的萨尔塔什修建罗亚尔艾伯特桥时，采用直径11米的锻铁筒，在筒下设压缩空气沉箱。1867年，美国建造伊兹河桥，也用压缩空气沉箱修建基础。压缩空气沉箱法施工，工人在压缩空气条件下工作，若工作时间长，或从压缩气箱中未经减压室骤然出来，或减压过快，易引起沉箱病。 

1845年以后，蒸汽打桩机开始用于桥梁基础施工。 

现代桥梁

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的研究，桥梁振动的研究和空气动力学的研究，以及土力学的研究等获得了重大进展。从而,为节约桥梁建筑材料,减轻桥重，预计基础下沉深度和确定其承载力提供了科学的依据。现代桥梁按建桥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年，法国弗雷西内工程师经过20年的研究，用高强钢丝和混凝土制成预应力钢筋混凝土。这种材料，克服了钢筋混凝土易产生裂纹的缺点，使桥梁可以用悬臂安装法、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的结构不断改进，跨度不断提高。 

20世纪60年代以后，钢斜拉桥发展起来。第一座钢斜拉桥是瑞典建成的斯特伦松德海峡桥,建于1956年,跨径为 74.7+182.6+74.7米。这座桥的斜拉索在塔左右各两根,由钢筋混凝土板和焊接钢板梁组合作为纵梁1959年联邦德国建成的科隆钢斜拉桥,主跨为334米；1971年英国建成的厄斯金钢斜拉桥,主跨305米；1975年法国建成的圣纳泽尔桥,主跨404米。这座桥的拉索采用密束布置，使节间长度减少，梁高减低，梁高仅3.38米。目前通过对钢斜拉桥抗风抗震性能的改进，其跨径正在逐渐增大。 

三、桥梁的组成和分类

桥梁组成

桥梁一般由上部结构、下部结构和支座组成。

1、桥跨结构：在线路中断时跨越障碍物的主要承载结构。 

2、桥墩和桥台 ：是支承桥跨结构并将恒载和车辆等活载传至地基的建筑物。通常设置在桥梁两端的称为桥台，它除了上述作用外，还与路堤相衔接，以抵御路堤土压力，防止路堤填土的滑坡和坍落。 

3、基础：桥墩和桥台中使全部荷载传至地基的底部奠基部分，通常称为基础。它是确保桥梁能安全使用的关键。由于基础往往深埋于土层之中，并且需在水下施工，故也是桥梁建筑中比较困难的一个部分。 

4、上部结构：通常人们还习惯地称桥跨结构为桥梁的上部结构。称桥墩或桥台为桥梁的下部结构。 

5、支座：一座桥梁中在桥跨或桥墩或桥台的支承处所设置的传力的装置，称为支座。它不仅要传递很大的荷载，并且要保证桥跨结构能产生一定的变为。 

6、锥形护坡：在路堤与桥台衔接处，在桥台两侧设置石砌的锥形护坡。以保证迎水部分路堤边坡的稳定。 

桥梁种类

1、按使用性分：公路桥、公铁两用桥、人行桥、机耕桥、过水桥等。 

2、按跨径大小和多跨总长分为：特大桥、大桥、中桥、小桥、涵洞。 其中：

特大桥：多孔跨径总长≥500米， 单孔跨径≥100 米

  大桥：多孔跨径总长≥100米，单孔跨径≥40 米

  中桥：30米<多孔跨径总长<100米， 20≤单孔跨径<40 米

  小桥：8米≤多孔跨径总长≤300米， 5<单孔跨径<20米 

  涵洞：多孔跨径总长<8米， 单孔跨<5米 

3、按行车道位置分为：上承式桥、中承式桥、下承式桥。 

4、按承重构件受力情况可分为：梁桥、板桥、拱桥、钢结构桥、吊桥、组合体系桥（斜拉桥、悬索桥）。

5、按使用年限可分为：永久性桥、半永久性桥、临时桥。 

6、按材料类型分为：木桥、圬工桥、钢筋砼桥、预应力桥、钢桥。

四、世界桥梁之最

现存最古老的敞肩拱石桥是河北赵县赵州桥。隋朝开皇十五年至大业元（595～605年）建。 

现存最早的也是桥洞最多的联拱石桥是江苏苏州宝带桥。唐元和十一年（816年始建）。 

现存最早的十字桥是山西晋祠鱼沼飞梁，北宋崇宁元年（1102年）建。 

最早的开关活动式大石桥是广州潮州广济桥。明宣德十年（1435年）建。

最不可思议的桥，在静静的剑河上，有一座古老的木质桁架桥———“数学桥”。这座当地最著名的桥，陪伴着剑河沿岸最古老的建筑———红砖垒砌的剑桥大学女王学院院长官邸，走过了250多个春秋。 “数学桥”的传说在剑桥堪称无人不晓。相传这是大数学家牛顿在剑桥教书时亲自设计并建造的，整个桥体原本未用一根钉子和螺丝固定。后来，女王学院的学生为探究这座桥的奥秘，曾把它拆开剖析，但却无法复原，于是只好用钉子重新固定成现在的样子。还有人传说，这是英国桥梁设计大师威廉姆·埃斯里奇在女王学院读书时的杰作。而且，他是在游历了东方以后，受中国桥梁的启发而设计的。实际上，这座桥是由詹姆斯·小埃塞克斯根据埃斯里奇的设计而建造的。它展示出现代钢梁桥的雏形，其桥身相邻桁架之间均构成11.25度的夹角。在18世纪，这种设计被称为几何结构，所以此桥得名“数学桥”。

自杀者最喜欢的桥， 金门桥建于1937年，耗资达三百万美元，是世界上最大的单孔吊桥之一，金门桥长达2780米，从海面到桥中心部的高度约为67米。桥两端有两座高达227米的塔。金门桥桔黄色的桥梁两端矗立着钢柱，用粗钢索相连，钢索中点下垂，几乎接近桥身，钢索和桥身用一根根细钢绳连接起来。整座金门桥显得朴素无华而又雄伟壮观。为了纪念设计者工程师史特劳斯，人们把他的铜像安放在桥畔。金门桥落成当天，有20万人兴高采烈地走过大桥来庆祝这个日子。今天金门桥是世界上最繁忙的桥梁之一，每天都约有10万辆汽车从桥上隆隆驶过。 “世界最著名自杀场所”这个称号给美国旧金山美丽的金门大桥蒙上了一层黑色的面纱。自1937年大桥落成以来，已有1300多个困惑的灵魂从这里殒落，美国媒体透露，旧金山市准备给当地标志性景观金门大桥加建防止自杀的设施。

开放时间最短的桥， 在2000年世纪之交的时刻，英国除新建了伦敦东南的“千禧大棚”和市中心的“摩天转轮”之外，在泰晤士河的水面上也架起了一条耀眼的“银带”——千禧桥。比起那些古老、雄伟、茁壮、钢劲的的28位“前辈”来这位刚出生的“小妹妹”就以她简洁明快的结构、轻巧纤细的造型和连续流畅、充满活力的美感显得格外与众不同。 

最无奈的桥，作为威尼期象征之一的叹息桥，建于1600年，是一座连着总督府和旁边地牢的，几乎全封闭的石桥。桥的一面是总督府,十五世纪的时候那里是审讯犯人的地方.不过到这里受审的犯人,都不会再活着出去.因为他们都是被判了无期徒刑或者死刑的犯人。行刑之前,他们走的最后一条路就是这座桥,因为要过桥到另一头的监狱行刑.那时候,桥上有窗户,犯人可以看这个世界最后一眼。过桥的时候,看着即将离去的世界,犯人会后悔的叹息.久而久之,连桥都受了感染,然后叹息。每年有无数的恋人会跑到这座桥上来接吻,因为传说在叹息桥上接吻,爱情会永生永世. 

最不对称的桥，德国科隆的塞晤林大桥建于1960年,这座斜拉桥只有一个桥塔,这种不对称的单桥塔设计是因为两个桥塔将影响从河上观看科隆大教堂.

最超现代的桥，1996年建于鹿特丹的超现代伊拉斯缪斯大桥,得名于著各的人文主义者和神学家D.伊拉斯缪斯(1469-1536)。桥身向修长的少女玉腿轻轻弹出，足尖直指苍穹。 

最恩爱的桥，1903年落成的布达佩斯达努伯河上的伊丽莎白大桥，是当时最长的眼杆链悬索桥，跨度290米.幕色降临时，灯光强调了优美的悬索链和雄伟的桥塔的对比.该桥通体白色。匈牙利人自己形容为犹如“白鸥凌波”。 

最多的桥，圣彼得堡坐落在涅瓦河口的42个小岛上，由300多座桥梁相连，因此圣彼得堡成为世界著名的桥城，有“桥梁博物馆”的美誉。

最高的桥，在2004年以前，世界上最高的桥是科多拉多州阿肯色河上的罗伊.乔治大桥，该大桥主跨268米，桥面高出水平面321米.该桥仅用了3个月时间建成，1929年12月通车。不过，现在这个纪录已经被法国的米约大桥打破，米约大桥于2004年12月14日举行落成典礼，大桥桥面离地270米，而斜拉索最高点离地有343米，比埃菲尔铁塔还要高出23米。是目前世界上最高的桥梁。这座大桥位于法国首都巴黎通往地中海地区的公路上。 

世界上跨度最大的石拱桥——1946年瑞典建成的绥依纳松特桥,跨度为155m. 

世界上第一座具有钢筋混凝土主梁的斜拉桥——1925年在西班牙修建跨越但波尔河的水道桥,主跨为60.35m. 

世界上跨径最大的预应力混凝土斜拉桥——西班牙的卢纳巴里奥斯桥,跨径达440m,采用了双面辐射形密索布置. 

世界第一的悬索桥——日本明石海峡桥,横跨日本内海,使日本神户与淡路岛紧紧相连.这座大桥全长3190M,跨度1990m于1998年竣工.它可以承受里氏8.5级地震。

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五、中国未来桥梁发展趋势

 50年来，新中国桥梁建设取得了突飞猛进的发展，公路铁路两用桥向着大跨度、重荷载、高时速方向发展。从大桥主跨度上看，武汉长江大桥主跨为128米，而正在建设中的武汉天兴洲长江大桥主跨则达到504米，比2000年修建的世界最大公铁两用桥丹麦厄勒海峡大桥主跨还长14米。从荷载和时速上看，武汉天兴洲长江大桥荷载达到了2万吨，而南京大胜关长江大桥设计时速达到了300公里，成为世界上设计运行速度最高的铁路桥梁。公路桥梁也在朝着美观、大跨、轻型的方向发展。

   从上世纪90年代初开始，我国的桥梁建设者就积极开展从内陆建桥向跨海建桥的研究和谋划。刘自明说，大跨、轻型、快速施工是21世纪的跨海桥梁发展的方向。2005年建成的东海大桥是我国第一座真正意义上的跨海大桥，全长32.5公里，当时是全球30多座跨海大桥中最长的一座；而贯通的杭州湾跨海大桥，全长约36公里，又改写了这项世界之最。青岛跨海大桥、厦门跨海大桥等亦是中外闻名。

   专家介绍说，未来的桥梁发展趋势是：向着更长、更大、更柔的方向发展，更加重视桥梁美学及环境保护。目前，世界上已经出现草桥、塑料桥、玻璃桥、充气桥、智能结构桥等。六、参考文献

1、网络资源

2、《桥梁工程概论》  作者：李亚东

3、《桥梁工程》  作者：裘伯永、盛兴旺、乔建东、文雨松