《桥梁建筑新论》-第二章 桥梁发展概略

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您现在的位置>>桥梁空间网>>专业文苑>>公路桥梁此文已被阅读11次 《桥梁建筑新论》－第二章 桥梁发展概略 作者：张师定

第二章 桥梁发展概略

(general history of bridge engineering) 2.1桥梁发展动因

桥梁如同其他一切事物一样，都是因实践的需要而发展。自从有了路，

便就有了桥。在历史上，每当运输工具发生重大变化，对桥梁在载重、跨度等方面提出新的要求时，便推动了桥梁工程技术的发展；另外，材料的发展也是桥梁发展的动力之一；其次，桥梁施工技术的发展及桥梁设计理论的发展等均推动桥梁工程向前发展。 宏观而论，经济的发展会刺激交通运输业的发展，反过来，交通运输业的发展又会促进经济的发展。

总而言之，推动桥梁发展的四大因素如下： ①土木工程的发展； ②交通运输业的发展； ③建筑思想的进步； ④经济的发展。

2.2桥梁发展要素

桥梁发展的主要标志便是跨度，再没有任何硬性参数比跨度更能显示桥梁发展的水平。

通过代表性桥梁的跨度，就可以了解当时桥梁的建设水平。另外，运输工具、建筑材料、施工技术及设计理论也是桥梁发展的标志，同时，也是桥梁发展的动力。因此，桥梁发展要素应包括以下五个方面。

①运输工具(transportation)

②建筑材料(building material) ③施工技术(construction technology) ④设计理论(design theory) ⑤典型桥梁(typical bridges)

2.3桥梁发展阶段划分

依照土木工程发展史的划分，桥梁工程发展史可划分为古代桥梁工程、近代桥梁工程和现代桥梁工程三个阶段，并以17世纪工程结构开始有定量分析作为近代桥梁工程的开端，以第二次世界大战后科学技术的突飞猛进作为现代桥梁工程的起点。

2.4桥梁发展主要内容

桥梁发展分古代桥梁工程、近代桥梁工程及现代桥梁工程三个阶段来论述。 每个阶段内，分别论述桥梁发展的五大要素：运输工具、建筑材料、施工技术、设计理论及典型桥梁。每个要素内容以时间先后排序。 通过桥梁发展史，可以了解建筑与结构、结构与技术等的相互作用与发展历程，作到推陈出新。

2.4.1古代桥梁工程 ①运输工具

相传，中华民族的始祖——黄帝，

因看见蓬草随风吹转，而发明了车轮。于是，以“横木为轩，直木为辕”制造出车辆(vehicle)，对交通运输作出了巨大贡献。故尊称黄帝为“轩辕氏”。 ②建筑材料

•土、木及石。

•青铜，产生于公元前3世纪（埃及等）及中国商代（公元前16～前11世纪）。 •瓦，产生于公元前1066～前771年（中国西周时期） •砖，产生于公元前475～前221年（中国春秋战国时期） •天然混凝土（罗马水泥），产生于公元前200年左右。 ③施工技术

•古代修桥应用简单的工具，依靠手工劳动。

④设计理论

•公元前475年左右，中国战国初， 一部最早记有木工、金工等工艺，并有城市、宫殿、房屋建筑规范的专著——《考工记》成书， 是研究中国古代科学技术的重要文献。

•公元前１世纪，罗马人威特鲁著《建筑十书》，是欧洲现存最早的建筑理论著作。

•公元1100年，中国北宋建筑总监李诫编纂《营造法式》成书，为中国古代最完整的一部建筑技术书籍。

•公元1455年，

意大利文艺复兴时期阿尔贝蒂著《论建筑》，体系完备，影响很大，施工技术和工具都有很大进步，工具除已有打桩机外，还有桅式和塔式起重设备以及其他新的工具。

•公元1637年，中国明代宋应星著《天工开物》刊行，共3卷18篇，对砖瓦、陶瓦等生产技术均有记载，为中国古代较完整的生产技术百科全书。 ⑤典型桥梁

•公元前2000多年前，巴比伦曾在幼发拉底河上建石墩木梁桥，其木梁可以在夜间撤除， 以防敌人偷袭。

•公元前1184年，中国周文王时期，在渭河上架设浮桥，据《诗经•大雅•大明》记载，是中国最早的大河桥梁。

•公元282年，中国西晋时代，在今河南洛阳七里涧建旅人桥,为中国现知最早的石拱桥。

•公元583年，中国隋代，在今西安再建灞桥，1834年重修,为多跨桩基础、石制排架墩简支木梁桥，1957年改建成钢筋混凝土板梁桥，现全长389m。

•公元595——605年，中国隋代，在今河北赵县由李春创建安济桥（赵

州桥），原长50.82m，现长64.40m，宽约9m，跨径37.02m，是世界著名单孔圆弧敞肩石拱桥，见图2.1,被列为土木工程里程碑。

图2.1 中国赵州桥

•公元1032——1033年，中国北宋，在青州（今山东益都）建成虹桥，系叠梁结构木拱桥，已毁。

•公元1059年， 中国北宋， 在泉州建成洛阳桥（万安桥），首创阀形桥基，牡蛎加固，

今测全长834m，47孔，为中国著名多孔石梁长桥。

•公元1151年， 中国南宋， 在泉州建成安平桥，共362跨， 桥长五里（今实测为2070m），又名五里桥， 为中国现存最长石桥。

•公元1169年，中国南宋，

在今广东潮安始建广济桥，由浮桥和梁桥连成，全长517.95m，桥面宽5m，为世界上第一座梁舟结合、可开合的大石桥。 •公元1192年， 中国金代，在今北京市郊建成卢沟桥， 为11孔石拱桥， 全长265m，桥上有485只石狮 ， 是中国北方著名古桥。

•公元1487年， 中国明代，

在今云南永平建成霁虹桥，净跨径57.3m，总长113.4m，为中国最早铁索桥之一，属著名土木工程。

2.4.2近代桥梁工程 ①运输工具

•公元1816年间，英国人J.L.马克当发明碎石路面。 •公元1825年，英国人G.斯蒂芬森制成了蒸汽机车并修建了世界上第一条机械牵引的铁路。

•公元1883年，G.W.戴姆勒、公元1885年C.F.本茨分别发明了汽车(car)。

•公元1888年，J.B.邓洛普发明了充气轮胎。 ②建筑材料

• 铁，产生于17世纪70年代 •混凝土，产生于1824年 •钢，产生于1856年

•钢筋混凝土，产生于1875年 •预应力钢筋混凝土，产生于1886年 ③施工技术

蒸汽机逐步应用于抽水、打桩、挖土、轧石、压路、起重等到作业。 19世纪60年代，内燃机问世。70年代，电机出现。之后，很快就创制出各种各样的起重运输、材料加工、现场施工用的专用机械和配套机械，使一些难度较大的工程得以快速完成。

④设计理论

•公元1631年，即崇祯四年，著名造园家计成完成造园专著《园冶》。其全面论述了宅园、别墅的营造原理和具体手法，总结了造园经验，反映了中国古代造园的成就。

•公元1638年，意大利学者伽俐略出版了著作《关于两门新科学的谈话和数学证明》，论述了建筑材料的力学性质和梁的强度，首次用公式表达了梁的设计理论。 •公元1678年，英国科学家R.胡克发表了根据弹簧实验观察所得的“力与变形成正比”这一重要物理定律。

•公元1687年，牛顿总结了物质机械运动所遵循的三大定律，是自然科学发展史上的一个里程碑，直到现在还是土木工程设计理论的基础。

•公元1744年，瑞士数学家L.欧拉著《曲线的变分法》，建立了柱的压屈公式，算出了柱的临界压曲荷载。这个公式在分析工程构筑物的弹性稳定方面得到了广泛的应用。

•公元1747年，巴黎桥路学校创立，培养修建道路、河渠和桥梁的工程师，表明土木工程学科已经形成。

•公元1773年，法国工程师C.-A.de库仑写的著名论文《建筑静力学各种问题极大极小法则的应用》，说明了材料的强度理论、梁的弯曲理论、挡土墙上的土压力理论及拱的计算理论。

•公元1822——1828年间，柯西发表了一系列论文，建立了弹性力学的几何方程、平衡（运动）微分方程及广义胡克定律，奠定了弹性力学的理论基础。 •公元1825年，纳维建立了结构设计的容许应力设计法。

•公元1847年，美国的S.惠普尔首先提出了桁架的计算理论。 同年内，法国的B.-P.-E.克拉珀龙提出了连续梁的计算方法。

•公元1858年，美国风景建筑师奥姆斯特德在主持纽约中央公园建设时，创造了“风景建筑师”一词，从而开创了“风景建筑学”。 •公元1864年，J.C.麦克斯韦提出了超静定结构的力学方程。

•公元1879年，法国人F.埃纳比克发表钢筋混凝土理论，应用了极限平衡的概念，促进了钢筋混凝土的广泛应用。

同年内，A.卡斯蒂利亚诺在他的著作中论述了利用变形势能求结构位移和计算超静定结构的理论。

•公元1874——1885年间，O.莫尔发展了利用虚位移原理求位移的一般理论。

•公元1886年，美国人P.H.杰克逊首次应用预应力混凝土作建筑构件。 •公元1914年，A.本迪克森最先提出了转角位移法。

•公元1925年，泰尔扎吉写《土力学》专著 。

•公元1930年，建立了罗伊斯——普朗特流动理论，或称增量理论。 •公元1932年，H.克罗斯首创力矩分配法。

•20世纪30年代，由于对结构材料与结构破坏性能的研究逐步深入，在结构设计上考虑结构的破坏阶段工作状况，随之出现了破坏强度设计法，亦称极限荷载设计法。

•公元1943年，A.A伊柳辛提出了“小弹塑性形变理论。”

⑤典型桥梁

•公元1706年，即康熙45年，中国在四川泸定县大渡河上建成大渡河铁索桥,跨度100m，桥宽2.8m，桥面共有九根铁链，左右另各有两根铁链作扶手，铁链外径约九厘米，桥面上铺木板，以通行人、牛或马车等。

•公元1779年，英国在塞汶河上建成世界上第一座跨度为30.5m的铸铁肋拱桥。

•公元1826年，英国T.特尔福德用锻铁建成177m的麦内悬索桥。

•公元1850年，R.斯蒂芬森用锻铁和角钢拼接成不列颠箱管桥。 •公元1875年，法国建成世界上第一座钢筋混凝土桥，宽3.96m，长16m。 •公元1883年，

美国建成世界上最大跨的城市悬索桥——布鲁克林桥，主跨长达486m。其重要成就不仅在于刷新了当时的跨度纪录，而且在构造上采用了加劲钢桁架和很多根斜拉索（形成斜拉－悬吊混合体系），从而有效地抵御了暴风和周期性荷载的振荡。其悬索采用空中编缆法就地施工，被认为是现代悬索桥的开端。

•公元1890年，英国福斯湾建成两孔主跨达521m的悬臂式桁架梁桥（铁路桥）。 •公元1905年，中国在京汉铁路上建成郑州黄河铁桥，长3000多米，是当时国内最长的钢桁架桥。

•公元1909年，美国建成曼哈顿桥，主跨448m，为第一座采用挠度理论进行分析计算的悬索桥，即在内力分析中将荷载使结构产生挠度的影响考虑进去，标志着长跨悬索桥在静力分析上的成熟。

•公元1918年，加拿大圣劳伦斯河上建成魁北克桥，跨度549m,为当时世界上跨度最大的悬臂钢桁梁桥。

•公元1931年，美国纽约建成乔治•华盛顿悬索桥，主跨1067m。这是世界上有史以来第一座跨度超过1000m的桥梁。在其以８车道通车的30年内，它的加劲桁架尚未建造，以柔式悬索桥的轻盈姿态成功地抵抗了风力的袭击；公元1966年加设下层桥面。该桥标志着现代大跨悬索桥在观念和构造上的成熟，这为其在20世纪的推广奠定了基础。 •公元1932年，澳大利亚悉尼港桥，为双铰钢拱桥， 跨度503m，是世界上跨度和承载力最大的城市拱桥。 •公元1937年，美国旧金山建成著名的美丽的金门悬索桥，主跨达1280m。 同年内, 中国建成杭州钱塘江桥，为中国自行建造的第一座公路、铁路两用（双层）钢桁梁桥，全长1453m。

•公元1940年，美国塔科马海峡桥（悬索桥）建成，但同年内，该桥在速度为19m/s的风的持续袭击下破坏，这就是著名的塔科马桥事故。事后分析认为：具有钝边的加劲梁（高跨比为1/350，宽跨比为1/77）刚度（抗扭刚度及抗弯刚度）太小且密不漏风是造成这次风毁事故的主要原因。塔科马桥事故令世界桥梁界为之震惊，并促使桥梁界对风的动力作用重视起来。该桥1950年以同样的跨度及桥式重建（见图2.2）。

图2.2美国塔科马海峡桥 2.4.3 现代桥梁工程 ①运输工具

汽车与火车是陆地运输的主要工具。另外，磁悬浮列车与高架轻轨列车运输也对桥梁提出了新的要求。 ②建筑材料

材料的发展方向是轻质化和高强化。

•混凝土（包括素混凝土、钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土及钢纤维混凝土等）及钢材得到广泛运用，二者成为桥梁的主要材料。

•高性能混凝土（如高强度混凝土、自密实混凝土、复合高强与超高强混凝土）得到重视与应用。

•高强预应力钢材（如180kgf/mm2级镀锌钢丝、环氧涂层钢筋/钢绞线等）广泛应用。

•高性能钢材（如中国的15MnVNq-C钢及15MnNbq钢、日本的HT-70钢及HT-80钢）及耐候钢（如美国的ASTM钢及A588E钢、中国的NH35q钢）得到开发与应用。 •高强轻质复合材料不断涌现（如CFRP及GFRP等）。 ③施工技术

•桥梁施工发展方向是机械化和标准化。 •桥梁专用机械得到广泛运用。 •焊接水平得到提高

•产生了新的施工方法，如悬臂施工、转体施工、顶推施工等。 ④设计理论

•公元1946年，美国诞生了世界上第一台电子数字计算机ENIAC。 •公元1953年，中国土木工程学会成立，第一任理事长为茅以升。 •20世纪50年代后，苏联学者提出了极限状态设计法，用多系数（超载系数、材料匀质系数、工作条件系数）代替单一安全系数度量结构的安全度。

•20世纪60年代，美国一些学者对建筑结构进行可靠度分析时，应用统计数学理论，提出了一个比较实用的方法，即一次二阶矩法，并为国际结构安全度联合委员会所采用。其后，结构可靠度理论不断发展，结构按极限状态法进行设计已成为可能。 •静态的、确定的、线性的、单个的结构受力分析，逐步被动态的、随机的、非线性的、系统的分析所代替。

•桥梁抗风（如风洞试验、振动控制及抗风设计等）、桥梁抗震（如隔震技术、抗震设计 与加固等）不断发展。可以说，当代大跨桥梁的发展促进了力学发展，反过来，力学的发展又大力地支持了桥梁的发展，故有人戏称当今的超大跨桥梁为“高新科技产业”。

•桥梁美学倍受重视。将建筑学理论与桥梁结构特点相结合，桥梁建筑学正在走向成熟，本书便是在这一方面的努力。

•有关索桥设计及施工控制方面的文献不断涌现。

•桥梁施工过程中的体系转换与最终恒载内力计算（即结构拓扑变化内力分析）研究成为热点.

•模糊结构力学得到研究，详见文献［2.3］，其中提出了模糊结点、模糊边界、模糊作用与响应、模糊结构及模糊结构力学等概念，并以模糊单跨梁为例进行了分析。 •伴随着计算机的使用，结构优化设计不断发展。

•桥梁新结构（如反吊桥、展翅梁桥、索带桥、钢管砼拱桥、斜拉－悬吊混合体系桥等）、新理论不断涌现。 •电子计算机的应用越来越广泛，专门的桥梁分析软件、绘图软件及专家系统越来越多，计算机仿真技术不断发展。

⑤典型桥梁

•19世纪初，德国工程师Dischinger在设计一座铁路悬索桥时发现，只要在桥上加一些斜拉索就能使变形控制在容许范围内。1949年他发表文章提出了许多现代斜拉桥的基本设想。公元1955年，Dischinger的设想在瑞典的Stromsund桥上得到实现，其主跨182.6m，为现代斜拉桥的开端。

•公元1957年，中国建成第一座跨越长江的公路、铁路两用（双层）钢桁架连续梁桥——武汉长江大桥，正桥长1156m，连同引桥长1670m，首次采用管柱钻孔桩基础。

•公元1962年，在委内瑞拉马拉开波湖上建成5x235m的多跨预应力混凝土斜拉桥。

•公元1964年，美国建成韦拉扎诺桥，主跨达1298m，且行车道数为12车道。

同年内，中国无锡创建拱圈结构分段拼装、波形拱肋截面的双曲拱桥。 •公元1968年，中国建成南京长江大桥，正桥为双层钢桁梁桥，长1576m，连同引桥，铁路桥总长6772m，公路桥总长4589m，为国内最长的公路、铁路两用桥。 •公元1974年，巴西建成瓜纳巴拉湾桥，主跨达300m，是世界上最大的钢实腹梁桥。

•公元1975年，法国建成圣纳泽尔钢斜拉桥，主跨404m，是世界上跨度最大的 钢斜拉桥。

•公元1976年，中国建成洛阳黄河公路桥，跨径50m，总长3429m，桥面宽11m，为国内最长

、跨径最大的预应力混凝土简支梁桥。

•公元1977年，美国建成新河峡谷桥，拱跨518m，全长921m，为世界上跨度最大的上承式双铰钢桁拱桥。

•公元1978年，中国唐山建成滦河新桥，为预应力混凝土梁桥，盆式橡胶支座，跨径40m，总长979m，是一座能抗10级烈度地震的公路桥。

同年内，阿根廷建成巴拉圭河公路桥，最大跨度270m，为世界跨度最大的预应力混凝土实腹梁桥。

•公元1980年，中国建成重庆长江大桥，正桥长1121m，预应力混凝土Ｔ形刚构，主孔跨度174m，为国内第一座大型城市桥。

同年内，中国广西建成亚洲跨度最大的来宾红水河桥，跨度为48m＋96m＋48m，是国内第一座预应力混凝土铁路斜拉桥。

同年内，英国建成亨伯桥，见图2.3，主跨1410m，是当时世界上跨度最大的悬索桥，4车道。

图2.3英国亨伯桥

同年内，南斯拉夫萨格勒布建成克尔克Ⅱ号桥，见图2.4，上承式无铰拱公路、管道两用桥，主跨

390m，矢高60m，是世界上跨度最大的钢筋混凝土拱桥。

图2.4南斯拉夫克尔克Ⅱ号桥

•公元1982年，中国建成济南黄河斜拉桥，全长2023m，中跨220m，是当时国内最大跨度公路预应力混凝土斜拉桥。

•公元1983年，西班牙建成卢纳桥，主跨440m，是世界上跨度最大的预应力混凝土斜拉桥。

•公元1988年，日本建成南备赞濑户大桥，跨径为274m＋1100m＋274m，为跨度最大公铁两用悬索桥。

•公元1990年，中国上海建成南浦大桥，见图2.5，主跨423m，斜拉桥。

图2.5中国南浦大桥

•公元1993年，中国上海建成杨浦大桥，见图2.3，主跨602m，为当时世界跨度最大的斜拉桥。

•公元1994年，法国建成诺曼底大桥，主跨856m，主梁采用混合式，为当时世界跨度最大的斜拉桥。

•公元1995年，中国建成汕头海湾大桥，主跨452m，为加劲梁采用预应力钢筋混凝土结构的悬索桥。

同年内，中国贵州建成江界河大桥，其为单跨330m的桁架拱桥。

•公元1996年，中国建成丰都长江大桥，主跨450m，为一座加劲梁采用桁架式、锚碇采用隧洞式、大缆采用外扩式的悬索桥。

同年内，中国香港建成汀九大桥，其为四跨三塔斜拉桥，分跨为127m＋448m＋475m＋127m。

同年内，中国广西建成邕江大桥，其主跨为312m的钢管混凝土拱。 •公元1997年，中国建成西陵长江大桥，主桥为单孔悬索桥，跨度达900m，加劲梁采用全焊正交异性板扁平钢箱梁。

同年内，中国建成万州长江大桥，见图2.6，为钢管劲性骨架箱形混凝土拱桥，跨度420m，为世界第一。

图2.6中国万州长江大桥

同年内，中国建成虎门大桥，主桥为一主跨为888m的悬索桥；引桥为主跨270m的预应力钢筋混凝土连续刚构桥。

同年内，日本建成多多罗大桥，见图2.7，主跨890m为当今世界上跨度最大的斜拉桥。

图2.7日本多多罗大桥

同年内，中国香港建成青马大桥，见图2.8，主跨1377m，为世界上跨度最大的公铁两用悬索桥。

图2.8中国香港青马大桥

同年内，中国乌江上建成了首座跨径为288m的斜拉——悬吊协作桥。

•公元1998年，丹麦建成大贝尔特悬索桥，主跨1624m，矢跨比为1/9，加劲梁采用三跨连续结构 。

同年内，日本建成明石海峡大桥（悬索桥），见图2.9，主跨达1991m，为当今世界上跨度最大的桥梁。

图2.9跨度最大的日本明石海峡大桥

•公元1999年，中国建成江阴长江大桥，主桥为单跨悬索桥，跨度为1385m。

•公元2000年，中国建成芜湖长江大桥，公铁两用，主桥为钢桁架斜拉桥，主跨为312m。

2.5世界桥梁跨度纪录的发展

从近代至现代，世界桥梁跨度不断被刷新，可以毫不夸张地说，跨度纪录是桥梁发展历史中的一个人成分重要里程碑。表2.1给出了世界跨度纪录的发展概况。

表2.1 世界桥梁跨度纪录发展一览表

序号 年份 国名 桥名 桥式 跨度（m）

1 1779 英国 柯尔勃洛克代尔（Coalbrookdale） 铸铁拱 30.5 2 1796 英国 桑德兰（Sandland） 铸铁拱 72

3 1826 英国 曼内海峡（Menai Strait） 悬吊桥 177 4 1834 瑞士 弗里堡（Fribourg） 悬吊桥 274

5 1848 美国 俄亥俄惠灵（Ohio Wheeling） 悬吊桥 308 6 1883 美国 布鲁克林（Brooklyn） 悬吊桥 486 7 1890 英国 福斯海湾（Forvh Firth） 悬臂桁架 521.2 8 1917 加拿大 魁北克桥（Quebec） 悬臂桁架 548.8 9 1929 美国 大使桥（Ａmbassador） 悬索桥 564

10 1931 美国 乔冶．华盛顿（Ｇeorge Washington） 悬索桥 1067 11 1937 美国 金门（Golden Gate） 悬索桥 1280 12 1964 美国 韦拉扎诺（Verrazano） 悬索桥 1289 13 1981 英国 亨伯尔（Humber） 悬索桥 1410 14 1998 日本 明石海峡 悬索桥 1991

参考文献

［2.1］中国大百科全书总编辑委员会本卷编辑委员会编，《土木工程》中 ①钱冬生，桥梁工程发展史

②史尔毅等，土木工程发展简史

③黄国新，张纪衡，土木工程大事年表 ④张佐周，道路工程发展史 ⑤陈英俊，王道堂，结构力学 ⑥李继华，结构可靠度

北京：中国大百科全书出版社，1987年。

［2.2］张师定，桥梁发展史略，《科技交流》，1995年第2期。 ［2.3］张师定，模糊结构力学及其在桥梁设计中的应用，《科技交流》，1995年第2 期。

［2.4］张师定，带权重的模糊规划及其在结构优化设计中的应用，成都：中国模糊数学第五届年会论文集，1990年。

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