力學(xué)與材料學(xué)推動(dòng)下的橋梁發(fā)展

霍美諭

【摘 要】橋梁是一種土木工程結(jié)構(gòu)，人類運(yùn)用智慧創(chuàng)造它來跨越自然地形帶來的交通局限，使交通工具能暢通無阻的行駛在江河湖海上。從古至今中國(guó)的造橋技術(shù)別具一格，尤其走進(jìn)現(xiàn)代后在力學(xué)與材料學(xué)等先進(jìn)科技的幫助下，橋梁從設(shè)計(jì)到構(gòu)建都形成了新的方式，無論是桁架結(jié)構(gòu)還是板殼結(jié)構(gòu)都能在實(shí)踐分析中構(gòu)建出不同的橋梁。基于此背景，筆者對(duì)力學(xué)與材料學(xué)推動(dòng)下的橋梁發(fā)展展開了分析，以高中生為視角展開敘述，希望能為相關(guān)工作人員提供理論借鑒。

【關(guān)鍵詞】力學(xué)；材料學(xué)；橋梁

一、淺議中國(guó)橋梁

中國(guó)國(guó)土廣博，山川河流縱橫交錯(cuò)，自古以來在橋梁工程建設(shè)上就多于其他國(guó)家，因此無論是從橋梁建設(shè)的總數(shù)還是建設(shè)橋梁的技術(shù)，我國(guó)都處于世界領(lǐng)先地位。我們既有趙州橋、盧溝橋這種飽含歷史色彩的橋梁，也有長(zhǎng)江大橋、天門大橋這樣見證新時(shí)期、新社會(huì)、新發(fā)展的橋梁。面對(duì)當(dāng)前快節(jié)奏的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)高速公路和高速鐵路的建設(shè)更是突飛猛進(jìn)，全國(guó)各地的橋梁總數(shù)遠(yuǎn)超其他國(guó)家，成為世界上橋梁最多的國(guó)家。

二、不同階段力學(xué)與材料學(xué)對(duì)橋梁發(fā)展的推動(dòng)作用

（一）古代橋梁

古代人類能使用的造橋材料有限，畢竟古代的科技與生產(chǎn)力相對(duì)低下，大多情況只能選擇石材與木材作為主要材料，這兩者都有先天的不足。同時(shí)，古人對(duì)力學(xué)基礎(chǔ)理論的掌握也比較缺乏，沒有系統(tǒng)的理論知識(shí)，僅憑工程師的經(jīng)驗(yàn)是難以維系橋梁平衡的。真正的力學(xué)與材料學(xué)知識(shí)在十九世紀(jì)初才得以完善，這之前人們無法運(yùn)用科學(xué)區(qū)計(jì)算橋梁的承載力，更不用提結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了，所以通過觀察古代中西方橋梁設(shè)計(jì)不難發(fā)現(xiàn)大多為簡(jiǎn)單的搭接和架設(shè)，由于不能形成很大的跨徑，所以在技術(shù)依托上相對(duì)落后。不過這些并不能阻止人類智慧的發(fā)展，橋梁工程還是一點(diǎn)點(diǎn)萌芽了先進(jìn)的技術(shù)，譬如羅馬時(shí)代就出現(xiàn)了打木板樁構(gòu)建圍堰，中國(guó)興建的洛陽(yáng)橋也是用膠固形成筏形基礎(chǔ)[1]。

（二）近代橋梁

時(shí)間推進(jìn)到十八世紀(jì)后，鋼鐵和水泥應(yīng)運(yùn)而生，材料的可塑性給橋梁發(fā)展帶來了新生，并且隨著這階段工程技術(shù)的進(jìn)步橋梁迎來了發(fā)展的春天。英國(guó)的塞文河橋是近代第一座由鋼筋水泥筑成的橋梁，這座橋始建于1779年，為半圓拱，跨徑三十多米，當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)師與工程師經(jīng)過測(cè)量與換算對(duì)鋼筋水泥可能產(chǎn)生的應(yīng)變、應(yīng)力、剛度做了預(yù)設(shè)，判斷了各種材料的極限，終于在實(shí)踐后動(dòng)工，走出了歷史性的一步。同樣的在中國(guó)1705年，中國(guó)修筑了大渡河瀘定鐵鏈吊橋，這座橋后來出現(xiàn)在毛澤東的《長(zhǎng)征》一詩(shī)中，足以說明該橋建造質(zhì)量良好延續(xù)多年仍可以使用。到了十九世紀(jì)中期，以力學(xué)與材料學(xué)為基礎(chǔ)的橋梁建造技術(shù)逐步成熟，這時(shí)涌現(xiàn)了桁架橋，這種橋梁的剛度與強(qiáng)度都高于吊橋，因此在城市公路、鐵路建設(shè)中多為使用，除了以承載力為代表的的靜力作用以外，人們也更加關(guān)注抗風(fēng)設(shè)計(jì)與加勁梁的設(shè)計(jì)，像舊金山金門橋就是如此。后來英國(guó)人在此基礎(chǔ)上又發(fā)明了懸臂梁的設(shè)計(jì)，在愛丁堡的河口建造了鐵路懸臂梁橋。十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)之后的二三十年，經(jīng)過幾工業(yè)革命的洗禮，力學(xué)理論有了更多進(jìn)展，像彈性拱理論，與此同時(shí)材料基礎(chǔ)理論也隨之進(jìn)步，鋼筋混凝土的應(yīng)用就像一次技術(shù)刷新改變了橋梁建設(shè)的基本材料，鋼筋混凝土具有足夠的韌性和抗壓能力，不會(huì)輕易變形，應(yīng)用到橋梁中就大大提高了承載力。

（三）現(xiàn)代橋梁

現(xiàn)代橋梁正式出現(xiàn)于二十世紀(jì)三十年代，這時(shí)高強(qiáng)度鋼材登上了歷史舞臺(tái)，給橋梁發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)，同時(shí)力學(xué)與材料學(xué)理論也不斷進(jìn)步，所以以預(yù)應(yīng)力鋼筋棍凝土技術(shù)成為了這階段建造橋梁的主要技術(shù)，并不斷改進(jìn)延續(xù)至今。以前1928年，法國(guó)的一位工程師就提出了將高強(qiáng)度鋼絲與混凝土結(jié)合，這改變了原先普通的鋼筋混凝土容易產(chǎn)生裂痕，不牢固，易變形的缺點(diǎn)，進(jìn)一步提升了橋梁的承載力，無論是在坡度較高的地區(qū)使用懸臂安裝法還是在坡度較緩的地方使用頂推法都對(duì)橋梁建設(shè)作出一定貢獻(xiàn)。后來這種預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)也被時(shí)代所淘汰，為了跟上時(shí)代的步伐出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工方法，這樣在橋梁建設(shè)中就能滿足跨度的要求，斜拉橋和懸索橋漸漸成為高長(zhǎng)大橋梁的主要形式。一方面這兩者都是采用預(yù)應(yīng)力鋼絲索作為懸索來提高橋梁的承載力的，并且一些加勁梁能構(gòu)成自錨式的形狀，這樣通過鋼索把原有的承載力轉(zhuǎn)移到了塔上，通過分?jǐn)傊亓拷档蛯?duì)橋梁的壓迫感。[2]當(dāng)然不完全相同的是，斜拉橋更側(cè)重于斜拉索向橋面的力的傳遞，而懸索橋更傾向于利用拉索傳遞力量到主索?？傊?，這兩者的應(yīng)用增強(qiáng)了橋梁的跨度與長(zhǎng)度，中國(guó)建國(guó)后這些年所建設(shè)的橋梁無一不是用這種方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，譬如青島海灣大橋就是中國(guó)自己設(shè)計(jì)、建造的最大跨海大橋，也一度成為領(lǐng)先世界的跨海大橋。在世界上幾個(gè)著名的橋梁亦是如此，比如梅勒爾貝克橋就是典型的懸索橋，布羅東納橋就是典型的斜拉橋，還有很多以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的橋梁。還有今年五月份才通車的港珠澳大橋也是雙塔式斜拉結(jié)構(gòu)，它取代了青島跨海大橋的地位，成功成為新一任最長(zhǎng)跨海大橋，全長(zhǎng)約五十千米，主塔高約325米，是目前少有的跨度大于一千米的公鐵兩用斜拉橋。[3]當(dāng)然，這并不是橋梁建設(shè)的終點(diǎn)，隨著力學(xué)與材料學(xué)的不斷研發(fā)，還會(huì)有更便捷、更高效、更堅(jiān)固的技術(shù)產(chǎn)生，對(duì)橋梁構(gòu)建產(chǎn)生影響，開啟嶄新的技術(shù)革命。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上，我們對(duì)力學(xué)與材料學(xué)推動(dòng)下的橋梁發(fā)展有了簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)，從古至今人們對(duì)橋梁的探索從未停止，在材料水平低下與科技理論不成熟的古代，人們依然依靠智慧推動(dòng)了橋梁構(gòu)建新技術(shù)的萌芽。近代橋梁依托鋼筋水泥與一定的結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料學(xué)開啟了橋梁構(gòu)建新時(shí)代。到了二十世紀(jì)三十年代，鋼筋混凝土的出現(xiàn)彌補(bǔ)更多材料的不足，斜拉橋和懸索橋逐漸成為橋梁建設(shè)的新方式。總的來說，世界橋梁的發(fā)展處于積極蓬勃的狀態(tài)，當(dāng)然依然有很多實(shí)際問題需要考量研究，譬如怎樣控制橋梁建設(shè)中多種動(dòng)力荷載的耦合作用，如何控制響應(yīng)和振動(dòng)。筆者相信隨著力學(xué)與材料學(xué)研究工作的推進(jìn)一定會(huì)給橋梁建設(shè)注入新的靈感，進(jìn)而推動(dòng)橋梁的不斷發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

[1]迎接新世紀(jì)挑戰(zhàn)的力學(xué)──力學(xué)學(xué)科21世紀(jì)初發(fā)展戰(zhàn)略的建議[J]. 白以龍，周向恒.力學(xué)與實(shí)踐. 2004（01）.

[2]公路橋梁施工中混凝土裂縫產(chǎn)生的原因及防治對(duì)策[J]. 蔡宇環(huán)，安家慧，閆雨菡.四川水泥. 2018（03）.

[3]橋梁建筑中的力學(xué)[M]. 大連理工大學(xué)出版社 ， （英）馬丁·皮爾斯（MartinPearce），（英）理查德·喬布森（RichardJobson）著， 2003.