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港珠澳大桥即将通车!带你看力学与材料学推动下的桥梁技术大创新

2019-07-12

 
      

撰文/韩松(北京交通大学)

本文节选自《知识就是力量》杂志

全长55公里,集桥、岛、隧于一体

世界最长的跨海大桥……

港珠澳大桥

将于10月24日上午9时正式通车

点击播放视频

届时,珠海、香港、澳门三地口岸

实现24小时通车、通关

原来4个小时的陆路车程

将缩短为30分钟

香港、澳门、珠海将形成

“一小时都市圈”

港珠澳大桥被英国卫报誉为“新世界七大奇迹”,已经成为“中国智造”的新名片。它的落成通车,标志着中国现代桥梁建造技术再次站到了新高度,中国由桥梁大国迈向了桥梁强国!

我们在惊叹这座跨海巨龙的雄伟气魄和国人强大的创造力的同时,一起来看看在力学与材料学推动下的桥梁发展史吧!

从发展历史来看,桥梁可以分为古代、近代和现代桥梁三类。随着人们对工程技术的不断钻研,桥梁从材料选取到结构设计、从建设施工到通行能力,都有了质的飞跃。


古代桥梁

从历史上看,木材和石材在数千年间都是人类建造桥梁的主要材料。但两种材料却都有先天的不足,可以说,材料的发展严重制约了古代桥梁技术的进步。另一方面,力学基础理论的缺乏也制约着桥梁的设计和建设。


当时,几乎所有桥梁的设计都来自生活经验(如拱桥和梁桥),并采用最简单的搭接和架设方式,无法形成大的跨径,也难以设计合理的拱形。


尽管如此,古代桥梁结构的工程探索依然出现了技术进步的萌芽。比如,罗马时代出现了桥梁基础的围堰施工方法,即打木板桩成围堰,抽水后在其中修筑桥梁基础和桥墩;中国在11世纪初修建的洛阳桥,建设过程初期首先在桥址江中遍抛石块,其上养殖牡蛎两三年后胶固形成筏形基础,这体现了中国古代劳动人民的智慧。

中国古桥——赵州桥

总的来说,在18世纪以前的桥梁,材料基本以木材和石材为主,严重制约着桥梁技术的进步。工程技术和设计理论尚处于萌芽阶段。



近代桥梁

随着18世纪前后钢铁和水泥的出现,材料的发展和工程技术的进步为桥梁技术注入了新的活力,这一时期的桥梁我们称为近代桥梁。


世界上第一座铸铁桥是英国科尔布鲁克代尔厂于1779年所造的塞文河桥,该桥为半圆拱,由五片拱肋组成,跨径30.7米。


第一座近代铁桥——塞文河桥

桥梁设计中的力学原理除了以承载力为代表的静力作用之外,动力作用相关的力学原理也逐渐成为研究人员关注的重要内容。尤其是桥梁抗风设计的研发颇受重视,如尼亚加拉瀑布公路铁路两用桥采用了锻铁索和加劲梁;纽约布鲁克林吊桥采用了加劲桁架来减弱震动;旧金山金门桥和奥克兰海湾桥也都是采用加劲梁的吊桥。


旧金山金门桥是采用加劲梁的吊桥

另一方面,材料基础理论的进步也积极推动着桥梁工程进入新时代。比如,钢筋混凝土桥梁的出现。钢筋混凝土是将钢筋埋入混凝土中受拉区的部分,让两者协同工作共同受力。受力过程中钢筋抵抗拉力,混凝土抵抗压力,协同工作,使得结构的承载能力大幅提高。因此,1900年之后的二三十年间,出现了大量的钢筋混凝土拱桥和梁桥。



现代桥梁

随着预应力混凝土和高强度钢材在20世纪30年代登上历史舞台,桥梁结构从近代桥梁发展到现代桥梁。


随着工程对桥梁跨径要求的不断提高,斜拉桥和悬索桥逐渐成为长大桥梁的主要形式。斜拉桥和悬索桥都是使用预应力钢丝索作为悬索,并同加劲梁构成自锚式体系,通过钢索将桥梁的力传递到主塔来承重;不同的是,斜拉桥是通过斜拉索直接将桥面的力传递至桥塔,而悬索桥是通过拉索垂直传递到主索,再由主索将力传递至桥塔。斜拉桥和悬索桥的设计形式为桥梁结构提供了更大的跨越长度。


港珠澳大桥主跨为双塔式斜拉结构

中国现有的著名长大桥梁也多为斜拉桥或悬索桥。如青岛海湾大桥,港珠澳大桥以及正在建设中的沪通大桥。


正在建设中的沪通大桥

力学和材料学方面研究工作的新进展不断给桥梁技术注入新鲜血液,大量新工艺、新材料、新设备被运用到桥梁工程建设中,推动桥梁工程的基础理论、结构设计和工程建设水平不断进步。