力学与材料学推动下的桥梁发展

霍美谕

【摘 要】桥梁是一种土木工程结构，人类运用智慧创造它来跨越自然地形带来的交通局限，使交通工具能畅通无阻的行驶在江河湖海上。从古至今中国的造桥技术别具一格，尤其走进现代后在力学与材料学等先进科技的帮助下，桥梁从设计到构建都形成了新的方式，无论是桁架结构还是板壳结构都能在实践分析中构建出不同的桥梁。基于此背景，笔者对力学与材料学推动下的桥梁发展展开了分析，以高中生为视角展开叙述，希望能为相关工作人员提供理论借鉴。

【关键词】力学；材料学；桥梁

一、浅议中国桥梁

中国国土广博，山川河流纵横交错，自古以来在桥梁工程建设上就多于其他国家，因此无论是从桥梁建设的总数还是建设桥梁的技术，我国都处于世界领先地位。我们既有赵州桥、卢沟桥这种饱含历史色彩的桥梁，也有长江大桥、天门大桥这样见证新时期、新社会、新发展的桥梁。面对当前快节奏的经济发展，我国高速公路和高速铁路的建设更是突飞猛进，全国各地的桥梁总数远超其他国家，成为世界上桥梁最多的国家。

二、不同阶段力学与材料学对桥梁发展的推动作用

（一）古代桥梁

古代人类能使用的造桥材料有限，毕竟古代的科技与生产力相对低下，大多情况只能选择石材与木材作为主要材料，这两者都有先天的不足。同时，古人对力学基础理论的掌握也比较缺乏，没有系统的理论知识，仅凭工程师的经验是难以维系桥梁平衡的。真正的力学与材料学知识在十九世纪初才得以完善，这之前人们无法运用科学区计算桥梁的承载力，更不用提结构设计了，所以通过观察古代中西方桥梁设计不难发现大多为简单的搭接和架设，由于不能形成很大的跨径，所以在技术依托上相对落后。不过这些并不能阻止人类智慧的发展，桥梁工程还是一点点萌芽了先进的技术，譬如罗马时代就出现了打木板桩构建围堰，中国兴建的洛阳桥也是用胶固形成筏形基础[1]。

（二）近代桥梁

时间推进到十八世纪后，钢铁和水泥应运而生，材料的可塑性给桥梁发展带来了新生，并且随着这阶段工程技术的进步桥梁迎来了发展的春天。英国的塞文河橋是近代第一座由钢筋水泥筑成的桥梁，这座桥始建于1779年，为半圆拱，跨径三十多米，当时的设计师与工程师经过测量与换算对钢筋水泥可能产生的应变、应力、刚度做了预设，判断了各种材料的极限，终于在实践后动工，走出了历史性的一步。同样的在中国1705年，中国修筑了大渡河泸定铁链吊桥，这座桥后来出现在毛泽东的《长征》一诗中，足以说明该桥建造质量良好延续多年仍可以使用。到了十九世纪中期，以力学与材料学为基础的桥梁建造技术逐步成熟，这时涌现了桁架桥，这种桥梁的刚度与强度都高于吊桥，因此在城市公路、铁路建设中多为使用，除了以承载力为代表的的静力作用以外，人们也更加关注抗风设计与加劲梁的设计，像旧金山金门桥就是如此。后来英国人在此基础上又发明了悬臂梁的设计，在爱丁堡的河口建造了铁路悬臂梁桥。十九世纪末到二十世纪之后的二三十年，经过几工业革命的洗礼，力学理论有了更多进展，像弹性拱理论，与此同时材料基础理论也随之进步，钢筋混凝土的应用就像一次技术刷新改变了桥梁建设的基本材料，钢筋混凝土具有足够的韧性和抗压能力，不会轻易变形，应用到桥梁中就大大提高了承载力。

（三）现代桥梁

现代桥梁正式出现于二十世纪三十年代，这时高强度钢材登上了历史舞台，给桥梁发展提供了坚实的材料基础，同时力学与材料学理论也不断进步，所以以预应力钢筋棍凝土技术成为了这阶段建造桥梁的主要技术，并不断改进延续至今。以前1928年，法国的一位工程师就提出了将高强度钢丝与混凝土结合，这改变了原先普通的钢筋混凝土容易产生裂痕，不牢固，易变形的缺点，进一步提升了桥梁的承载力，无论是在坡度较高的地区使用悬臂安装法还是在坡度较缓的地方使用顶推法都对桥梁建设作出一定贡献。后来这种预应力钢筋混凝土桥梁的结构也被时代所淘汰，为了跟上时代的步伐出现了标准化结构设计与施工方法，这样在桥梁建设中就能满足跨度的要求，斜拉桥和悬索桥渐渐成为高长大桥梁的主要形式。一方面这两者都是采用预应力钢丝索作为悬索来提高桥梁的承载力的，并且一些加劲梁能构成自锚式的形状，这样通过钢索把原有的承载力转移到了塔上，通过分摊重量降低对桥梁的压迫感。[2]当然不完全相同的是，斜拉桥更侧重于斜拉索向桥面的力的传递，而悬索桥更倾向于利用拉索传递力量到主索。总之，这两者的应用增强了桥梁的跨度与长度，中国建国后这些年所建设的桥梁无一不是用这种方法进行结构设计，譬如青岛海湾大桥就是中国自己设计、建造的最大跨海大桥，也一度成为领先世界的跨海大桥。在世界上几个著名的桥梁亦是如此，比如梅勒尔贝克桥就是典型的悬索桥，布罗东纳桥就是典型的斜拉桥，还有很多以此为基础设计的桥梁。还有今年五月份才通车的港珠澳大桥也是双塔式斜拉结构，它取代了青岛跨海大桥的地位，成功成为新一任最长跨海大桥，全长约五十千米，主塔高约325米，是目前少有的跨度大于一千米的公铁两用斜拉桥。[3]当然，这并不是桥梁建设的终点，随着力学与材料学的不断研发，还会有更便捷、更高效、更坚固的技术产生，对桥梁构建产生影响，开启崭新的技术革命。

三、结语

综上，我们对力学与材料学推动下的桥梁发展有了简单认识，从古至今人们对桥梁的探索从未停止，在材料水平低下与科技理论不成熟的古代，人们依然依靠智慧推动了桥梁构建新技术的萌芽。近代桥梁依托钢筋水泥与一定的结构力学和材料学开启了桥梁构建新时代。到了二十世纪三十年代，钢筋混凝土的出现弥补更多材料的不足，斜拉桥和悬索桥逐渐成为桥梁建设的新方式。总的来说，世界桥梁的发展处于积极蓬勃的状态，当然依然有很多实际问题需要考量研究，譬如怎样控制桥梁建设中多种动力荷载的耦合作用，如何控制响应和振动。笔者相信随着力学与材料学研究工作的推进一定会给桥梁建设注入新的灵感，进而推动桥梁的不断发展。

【参考文献】

[1]迎接新世纪挑战的力学──力学学科21世纪初发展战略的建议[J]. 白以龙，周向恒.力学与实践. 2004（01）.

[2]公路桥梁施工中混凝土裂缝产生的原因及防治对策[J]. 蔡宇环，安家慧，闫雨菡.四川水泥. 2018（03）.

[3]桥梁建筑中的力学[M]. 大连理工大学出版社 ， （英）马丁·皮尔斯（MartinPearce），（英）理查德·乔布森（RichardJobson）著， 2003.