【摘要】桥梁工程在20世纪中取得了显著的成就。由于设计理论的进步和各种新材料、新工艺的出现。尤其是电子计算机的出现和应用，使桥梁的结构形式和跨度有了飞跃的发展。人们在桥梁工程方面发现的规律和取得的宝贵经验为21世纪的桥梁发展奠定了基础。本文小结了桥梁工程在20世纪中的成就，对桥梁向大跨度、柔性结构发展的问题以及采用复合结构、新材料、新工艺等问题进行了探讨，并循其规律预测可能发展的趋向。
【关键词】桥梁跨度
复合型桥梁 高性能混凝土 纤维加劲塑料 耐久性
一、20世纪桥梁工程的主要成就
20世纪是有史以来科学技术进步最为迅速的时代，人们在科学技术方面所取得的成就远远超过以前数百年中的成就。桥梁工程作为一项综合性技术，是在诸多学科的基础上发展起来的。在20世纪中桥梁工程技术有了重大突破，并且还将迅速地迈向更高的水平。
1．跨度的不断突破创新
桥梁的跨度是一项重要指标，各国对此都十分重视。20世纪中各类桥型的跨度纪录不断地刷新，但其发展是不平衡的。总的趋向是桥梁结构向大跨、高强、轻型的方向发展，以缆索交承的柔性体系桥梁的发展占据了桥梁发展的主导地位。由图1及图2中可以明显地示出这一趋向：
·在悬索桥方面，从19世纪末的486m跨度，经历了空气动力学上的认识，缆索材料及施工技术上的进步，最后使日本明石海峡大桥的主跨达到了1991m。
·在斜拉桥方面，自1955年瑞典斯特罗姆松德桥（Stromsund）奠定了近代斜拉桥基础后，德国首先推广了钢斜拉桥。此后在我国及其他国家大量采用预应力混凝土斜拉桥，以后又发展了各种复合型的斜拉桥，使这种桥到得到了很大的发展。尤其是采用计算机技术为主要手段对桥梁本身以及周围介质对结构的影响进行分析后，使空间、非线性以及动力计算上诸多难题得到较完善的解决。同时由于斜拉索材料和安装手段的进步，使斜拉桥成为在20世纪中桥梁跨度发展最快的桥型。到对世纪末，跨度已达到了近900m。
·在钢筋混凝土拱桥方面，由于结构特征适于混凝土的受压特性，在20世纪中在施工工艺上又摆脱了膺架法的桎梏，发展了悬吊安装、平转、竖转、浮运以及刚性骨架等手段后，使钢筋混凝土拱桥的跨度由世纪初的100m发展到万县长江大桥的420m。这也是一项重大的发展。
·在预应力混凝土桥梁方面，自法国的弗莱西奈（FreySSinet）教授于1938年完成了其理论及实践后，到1952年预应力混凝土桥的跨度即突破百米。直到20世纪末已超过300m大关。
·值得我们关注的是钢管混凝土桥的发展。1940年前苏联已开始研究采用这种复合型构件组成的桥梁，尤其是拱桥，并有了一定成就。钢管混凝土构件在受压及小偏心受压条件下由于钢管的套箍作用有很多优点，同时在施工上可以先完成钢结构体系，然后在结构中逐步填充混凝土，简化了施工工艺，所以，最近20年来这种结构在我国有了长足的发展。估计目前有100多座这种类型的公路桥梁已经完工或在施工中。到20世纪末已完成的钢管混凝土桥跨度达273m，正在施工的钢管混凝土拱桥跨度达360m，以钢管混凝土构件做加劲梁的悬索桥，其跨度达560m，也在施工之中。
·在钢桁梁桥及钢拱桥方面，20世纪中其跨度发展较缓。钢桁梁桥的跨度仍维持在20世纪初的水平上，未曾突破。由于这种桥式的计算理论比较成熟，我国在跨越大江大河的公铁两用特大桥上，如武汉、南京、九江、芜湖等关键工程，均采用了这种桥式。在跨度上，由武汉长江大桥的128m发展到芜湖长江大桥的312m。我国在钢桁梁桥的钢种选用上也不断地迈上新台阶。在结构上发展了栓接的整体节点及混凝土桥面与钢行梁共同作用的复合体系，这些成果推动了我国钢桥技术的发展。
3．中小跨度桥梁的蓬勃发展
中小型跨度桥梁占桥梁数量中的绝大多数。20世纪中这种桥梁中以混凝土及预应力体系组合的桥型为主流。这些桥梁可按以下几方面进行区分：
·从材料上来说，20世纪中推出了各种高性能的混凝土如高强、轻质、早强、缓凝、微膨胀、不离析、自密实等不同的品种；
·在预应力体系方面，发展了各种品牌的高强钢丝、钢绞线及高强度螺纹钢筋以及它们配套的张拉设备。
·从结构体系上，有简支、连续、刚构、V型墩、双壁墩、桁拱等多种形式；
·从施工工艺上有预制及现浇之分，又有不同的施工方式，如膺架法、架桥机、造桥机、顶推、悬臂、浮运等区分。
将以上各项进行不同组合后，优选产生了种类繁多的桥梁型式，达到了百花齐放、蓬勃发展的地步，大大改变了交通的状况。
近20年来又出现了复合型桥梁结构，即充分利用了钢及混凝土承受外力不同性质的特点，将钢结构与混凝土结合起来，形成了结合梁及主跨为钢结构而边跨为混凝土结构的混合型桥梁。这种桥型已经运用到斜拉桥及悬索桥上，发展前景是十分广阔的。近年来又推出了以折叠钢板或波型钢板代替混凝土箱梁腹板的桥型，这一结构形式可以减轻传统预应力混凝土箱梁的自重达1/2～1/3，在中小型桥梁上将有很大发展。
本世纪在中国、美国、日本、土耳其等国家的人口密集区均发生了严重的地震灾害。人们对地震的破坏机理有了更深入的认识，研究出了一系列相应的对策。现行的抗震设计规范均做了修改，在桥梁的修复、重建技术上总结了不少经验，对新建桥梁的防震、免震技术上也在继续研究之中，这将是21世纪在各类桥梁的设计上必须重点关注的技术之一。
在本世纪中大量采用混凝土材料的同时对其耐久性的认识是不足的。一般认为混凝土结构的使用年限为50～100年，但不少结构由于种种原因使用了10～20年后即需维修。根
据资料（[1]）统计，目前美国50万座公路桥梁中有20万座已经损坏，平均每年有150～200座将部分或完全坍塌，而其寿命往往不足20年。修复这些桥梁的费用达900亿美元之巨。因此，不断提高混凝土的耐久性，将仅以强度设计为准的原则，改为同时考虑耐久性的设计原则是当务之急。否则在21世纪的10～30年代，我国也将有大量桥梁进入维修期，将是一个
沉重的负担。
二、对21世纪桥梁发展趋向的探讨
1．对桥梁继续向柔性结构发展的探讨
桥梁向更大跨度的柔性结构发展中，首要解决的是在气动及行车动力响应下结构的安全及稳定问题以及在高速行车条件下的人身安全及舒适度的要求。因此必须进一步加强对桥梁的动力条件下的分析计算和实验研究工作。在计算机技术不断发展的今天，如何正确地描述结构的动力行为以及旅客的反应还需做大量的工作。关于如何增大特大跨度柔性桥梁的刚度问题，根据各国专家的建议，可初步归纳为以下几点：
·将截面做成适应空气动力要求的箱形、三角形、弧形或分离的如图3（a）所示的各种流线型加劲梁，使具有足够的竖向、横向刚度及抗扭刚度；
·采用具有斜索面的或如图3（b），（c）所示的以缆索为主的空间网状承重体系，以加强各向的刚度；
·采用悬索+斜拉的混合型桥式，将超大的主跨分解为两种体系，使与跨度平方成比例的悬索桥部分缆索减载；
·采用轻型而刚度大的复合结构做为加劲梁，并采用自重轻、强度大的碳纤维材料做主缆。
各国专家对已蕴酿多年的直布罗陀海峡桥、墨西拿海峡桥、马六甲海峡桥等均有了各种建议的方案，我国琼州海峡桥也拟出了2km主跨的连续悬索桥方案。这些大桥在科技不断进步的21世纪中必将逐一变为现实。
近期我国已在进行高速铁路的建设，其中必将在长江上修建可通过高速列车的特大跨度桥梁。这是我国在21世纪中首要解决的关键问题。
2．工程材料的发展必将使桥梁工程有重大的进步
在工程材料上，首先是钢材的发展。我国还须进一步开展低含碳量和含其他合金元素。经过微合金化和晶粒细化处理的超高强度钢材的研究和生产，这种超高强度钢材应具有优异的焊接性能。在20世纪我国已建成了采用可焊性良好的4MnNbq及15MnVNq钢及栓焊整体节点组成的大型桥梁，但尚需进一步发展，向超高强度钢及全焊钢梁结构发展。
混凝土在21世纪中仍是桥梁最主要的建筑材料。在改善混凝土性能方面，重点在使其耐久性达到良好的指标。这主要是改善混凝土内部结构，掺入高效减水剂及活性矿物掺合料，使孔隙率大幅度降低来提高其耐久性。特别是以水泥为基料的含有超细微粒的硅灰及纤维增强材料最有发展前途。目前实验的强度已达到200MPa（［2］），其特点及远景为：
·使桥梁自重减少1/3～1/2，与钢结构的重量相似；
·耐久性、抗冻性加强，延长结构寿命，减少维修工作量；
·具有很高的弯曲应力（20～25MPa），这样可以免去表面分布钢筋及部分力筋的设置，混凝土工程将大为简化。
在钢管混凝土复合结构方面，我国现有的水平尚需进一步提高，例如：
·在钢管混凝土内填充含有超细微粒的硅灰及纤维增强混凝土后，承压力可能达到350MPa，这将使杆件更为纤细化。
·在钢管混凝土构件中引入预应力，可扩大受拉构件的使用范围；
·在铁路桥梁中采用钢管混凝土结构，节点的疲劳成为突出的问题。在这方面，海洋石油平台多年的工程实践经验是值得借鉴的。
随着航空工业及原子能工业的发展，人们在20世纪中已经研制出了各种类型的纤维增强塑料（FRP）。它们具有自重轻、强度高等优异性能，必将成为桥梁今后主要采用的材料。如采用FRP的模拔型材已在试用，更有发展前途的是用纤维增强塑料（FRP）来制成力筋及缆索材料。如瑞士的米勒（Meier）教授认为，主跨为8400m的直布罗陀海峡桥方案中，由于钢索的自重过大，只有采用碳纤维增强塑料（CFRP）才有可能完成。
3．在设计理论及施工工艺上必将进一步结合
桥梁结构向大型化、空间化发展后产生了结构的复杂性和施工的可能性的问题。这两者的统一是完美地建造重大工程的关键。20世纪中若干重大桥梁的设计及施工手段的结合，使人们对如何完成优良的工程有了新的看法。
例如，在20世纪末叶建成的丹麦大带海峡（Great
Belt）桥、加拿大的诺森伯兰海峡（Northumberland
Strait）桥和丹麦、瑞典间的菲阿桑桥（Feresund）的设计及施工中如何正确地选取桥梁上下部结构，以及相应的施工手段是一个非常关键的问题。由于上述桥梁在设计中选用了整体预制的大型混凝土构件及相应的特大型浮吊，使工程得以在高质量、高度机械化、高速度及低成本的条件下顺利完成。这种设计理论和施工手段将在21世纪中必将得到更大的发展和更多的应用。
我国桥梁的设计及施工分离的状况宜按此经验改变，这将促使桥梁事业的良性发展的进程。
迄今为止，世界上在桥梁基础工程上尚无深于100m的深水基础工程实践。而在石油工业上，水深400m的石油钻井平台早已实现。所以，借鉴海洋石油工业中钢结构及预应力混凝土结构两种类型的海上采油平台及贮油库的修建经验，对加速桥梁深水基础及设置沉井基础
（Placing
Foundation）的发展是十分必要的。
4．21世纪中必将十分重视桥梁美学及环境保护
桥梁工程是大自然中具有魅力的空间建筑物。古代桥梁建筑与周围环境协调和谐、相互辉映的例子甚多。20世纪中特大型桥梁及城市中的桥梁多成为景观效果上的关键建筑物。我国在20世纪50年代时提出的"适用、安全和适当照顾适美观"的原则已发展到"安全、适用、经济、美观"并重的原则。世界上在20世纪中有许多桥梁的造型十分震撼人心，其影响是深远的。如30年代的美国的旧金山桥以及西班牙赛维利亚（seviille）市无背索的单跨斜拉桥--阿拉米罗桥（Alamillo）；瑞士的刚性拉板斜拉桥--甘特桥（Ganter）；又如我国香港地区采用4索面的汀九斜拉桥，等等，使人类认识到桥梁建筑艺术造型的价值及艺术与经济的统一。因此，21世纪的桥梁结构必将更加重视建筑与艺术造型并重，必将注重环境保护与环境协调，进而使我们的生活环境更加美好。
参考文献
[l]浦心诚．混凝土，2000-l"论混凝土工程的超耐久化"第3-7页
[2]《PCI
Joural》1999-9～10 Pierre Y． Blais and Couture："Precast，
Prestressed Pedestrain Bridge-World's first Reactive Powder
Concrete Structure"第
60-71页
