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中国桥梁五十年回眸

日期:2002-05-01来源:【字体:
中国桥梁五十年回眸
项海帆 范立础
  一、引言
  在人类文明的发展史中,桥梁占有重要的一页。中国古代木桥、石桥和铁索桥都长时间保持世界领先水平,在桥梁发展史上曾占据重要地位,为世人所公认。例如,据文献记载,中国早在公元前五十年(汉宣帝甘露四年)就建成了跨度达百米的铁索桥,而欧美直到十七世纪尚未出现铁索桥。1665年徐霞客的《铁索桥记》详细描述了建于1629年在贵州境内的一座长约122米的铁索桥。法国传教士于1667年出版了一本《中国奇迹览胜》,书中也介绍了中国铁索桥。世界科技史家英国李约瑟博士指出:这两本书直接启发了西方人建造铁索桥的尝试。 
  十八世纪的英国工业革命造就了近代科学技术,也使欧美各国率先进入现代桥梁工业新时代。不幸的是,中国自十三世纪北方少数民族入主中原的元朝起,科技就停滞不前,到十七世纪明朝时已开始落后于西方。清朝政府又奉行闭关自守的愚昧政策,夜郎自大,终于在1840年的鸦片战争中惨败,使中国遭到列强的侵凌,蒙受了百年耻辱。 
  回顾旧中国的桥梁,长江是天堑,黄河上的三座桥梁:津浦铁路济南铁路桥,京汉铁路郑州铁路桥和兰州市黄河桥以及上海、天津、广州等大城市中的一些桥梁也无一不是由洋商承建的。我们唯一能引以自豪的是由茅以升先生主持兴建的杭州钱塘江大桥。该桥由他带领一批留学生自行设计和监造,但实际施工仍由丹麦康益洋行承包下部结构和沉箱基础工程,上部结构钢梁则由英商道门朗公司承包制造和安装。旧中国的承包商还没有建造大桥的能力,而政府交通部门也没有大桥施工队伍,只能做一些公路小桥涵的工程。当时水平最高的中国桥梁工程队伍当推由赵祖康先生领导的上海市工务局,他们在解放前已设计建造了几座跨苏州河的钢筋混凝土悬臂梁桥,至今仍发挥作用。这支队伍也是解放初期我国桥梁建设的重要技术力量,后来组建成上海市政工程设计院。 
  一、向苏联学习,建设跨江大桥 
  新中国诞生后,面对美国的经济封锁和制裁,向苏联学习是我们唯一的选择。在桥梁工程领域我们也派出了许多留学生赴苏联学习他们的预应力混凝土和钢桥技术。在苏联专家的帮助下,铁道部筹建了山海关、丰台、宝鸡和株州桥梁厂。交通部组建了北京的公路规划设计院、西安的第一设计院和武汉的第二设计院以及从事施工的公路一局和二局。各省的交通厅也都建立起公路桥梁的设计和施工队伍。 
  1952年政府决定建设第一座长江大桥——武汉长江大桥,使天堑变通途。为此专门设立了铁道部大桥工程局和铁道部科学研究院,全面学习研究苏联在钢桥疲劳、焊接、振动,以及桥梁上下结构设计、制造和施工等方面的科学技术。中国第一片预应力混凝土也在丰台桥梁厂基地研究试制,并于1956年首先在东陇海线新沂河铁路桥上建成了跨度为23.9米的预应力混凝土简支梁,迈出了重要的一步。第一座20米跨度的京周公路桥也同时建成。 
  武汉长江大桥采用了苏联最新的管柱基础技术,管柱有振动打桩机下沉,穿过覆盖 ,然后钻孔嵌岩 ,形成一种新型的深水基础。上部结构钢桁架采用胎具组拼,机器样板钻孔的新技术。1957年武汉长江大桥建成通车,它是五十年代中国桥梁的一座里程碑,也是中 苏友好的结晶,为中国现代桥梁工程技术和第二座南京长江大桥的兴建以及桥梁深水基础工程的发展奠定了基础。 
  1964年建成的南宁邕江大桥是我国第一座按苏联闭口薄壁构件理论设计的主跨55米的钢筋混凝土悬臂箱梁桥,具有特别的意义。 
  五十年代预应力混凝土简支梁桥的实现,使中国桥梁界初步具备了高强度钢丝,预应力锚具,管道灌浆,张拉千斤顶等有关的材料、设备和施工工艺,为六十年代建造主跨50米的第一座预应力混凝土T型钢构桥——河南五陵卫河桥,主跨124米的广西柳州桥以及主跨144米的福州乌龙江桥创造了条件。 
  最后还要特别提到按苏联标准图修建的 包兰线东岗黄河大桥。这是一座三孔53米的铁路钢筋混凝土肋拱桥,于1956年建成。此后,又在1959年建成了主跨88米的太焦线丹河桥。 
  三、“文革”时代的圬工拱桥 
  1957年的政治运动以后,我国进入了“大跃进”、“三年自然灾害”、以及随后的“文化大革命”年代 ,历时二十年,国民经济遭到了严重的破坏,建筑材料的贫乏和资金的不足使中国的交通建设陷入了困境。少用水泥和钢材的圬工拱桥成为修建大跨度公路桥梁的首选桥型,宝贵的钢材主要用于三线的铁路建设之中。 
  1959年建成的湖南黄虎港桥,主跨50米,是当时跨度最大的石拱桥,也是首次用苏联夹木板拱架技术施工的拱桥。采用钢拱架施工的洛阳龙门桥,主跨90米,位于著名的龙门石窟,于1961年建成。主跨达112.5米的云南长虹桥是在满堂木拱架上用分环、分段、预留空隙等工艺于1961年建成的大跨度石拱桥。1972年,一座超过世界记录的石拱桥——主跨116米的丰都九溪沟桥在四川建成,使我国的石拱桥技术达到了新的高度。 
  另一种由民间建造的拱桥——双曲拱桥于六十年代诞生于江南水乡无锡县。由于这种桥梁的施工采用化整为零,预制拱肋和拱波,再组合拼装起来与现浇混凝土拱背层形成拱圈,使桥梁结构比较轻盈,适宜于软土地基上建造,是农村小跨轻载桥梁的合理桥型,为农村地方交通事业的发展作出了重要贡献。 
  然而,在“左”的形势下,经过“政治”炒作,这种桥型被称为“革命桥”,强行推广于大跨度重载公路干线桥梁。虽然经过设计人员的不断改进,努力克服双曲拱桥在施工中稳定性不足,断面抗弯性能较弱等缺点,但双曲拱桥的构造和施工特点使它仍然难以适应大跨度和重载以及软土地基条件,在使用若干年后出现了不少病害,影响了桥梁的寿命。 
  在“文革”年代建造了许多双曲拱桥,其中著名的有:1972年建成的主跨76米长沙湘江桥,1974年建成的主跨116米湖南罗依溪桥,以及早在1968年就建成的中国最大跨度双曲拱桥——河南嵩县前河桥。在地质较好的地区建造的一些双曲拱桥,至今仍在使用。 
  为了克服双曲拱桥的弱点,同济大学创造了一种桁架拱桥的新桥型,得到了浙江省、江苏省和河南省同行的支持,先后建成了浙江余杭里仁桥(主跨50米,1971年),江苏苏州觅渡桥(主跨60米,1973年)和河南嵩县桥(9×50米多孔桁架拱桥,1976年)。交通部科学研究院亦创建了钢架拱的新桥型,在中、小跨径桥梁中得到广泛应用。这都为中国公路桥梁建设作出了贡献。 
  四、八十年代中国桥梁技术开始崛起 
  1976年,史无前例,同时也是灾难深重的文化大革命终于结束了。中国进入了改革开放的新时期,经济开始复苏。交通建设作为先行官也得到了政府的重视,特别是率先开放的广东省,成了八十年代初桥梁建设的一块宝地,引来全国许多省市的桥梁工作者投身于那里火热的工地。 
  六十年代已传入中国的一种新型的现代斜拉桥的信息终于在七十年代初于四川、上海和山东同时开始修建实验桥,其中四川云阳汤溪河桥于1975年2月首先建成,是中国第一座主跨为75.84米的斜拉桥。由于当时国内尚无平行钢丝拉索的产品,该桥采用钢芯缆索制成斜拉索,而另一座主跨54米的上海新五桥则用粗钢筋为拉索。 
  1980年建成的四川三台涪江桥,主跨已达128米,斜拉索采用24Φ5高强度钢丝组成,外涂沥青后缠包玻璃丝布,待全桥完成后再用三层环氧树脂缠绕三层玻璃丝布防腐,工艺十分繁复,是早期斜拉桥采用的拉索防腐系统。 
  1982年,上海泖港桥(主跨200米),和山东济南黄河桥(主跨220米)相继建成。前者也用多层玻璃丝布的拉索防腐工艺,至今仍继续使用,而后者改用铅皮套管压注水泥浆的新防腐工艺,却在15年后被证明防腐已失效而被迫于1997年进行换索。 
  1987至1988年间建成了多座斜拉桥,如海南西樵桥(L=124.6米 ),天津永和桥(L=260米),南海九江桥(2×160米),重庆石门桥(200+230米)和广州海印桥(L=175米)。拉索的防腐系统改用PE管压浆工艺,其中广州海印桥的拉索于1997年发生断索事故,调查表明管道压浆工艺未能保证拉索顶部的饱满,造成拉索锈断,被迫在使用仅12年后全面换索
  唯一例外的是东营黄河桥(L=288米),该桥的拉索采用由日本进口的新一代热挤PE护套的成品拉索,也是我国第一座采用钢塔和钢桥面的斜拉桥。 
  在上述斜拉桥经验的基础上,上海桥梁界迎来了兴建第一座跨越黄浦江的大桥的机遇。由于李国豪教授的大力呼吁,时任上海市市长的江泽民同志决定自主建设并采用了同济大学推荐的结合梁斜拉桥方案。上海南浦大桥的胜利建成是一个具有里程碑意义的突破,它增强了中国桥梁界的信心,促进了九十年代在全国范围内自主建设大跨度桥梁的高潮。 
  主跨423米的上海南浦大桥的建设还带动了我国预应力工艺和拉索生产的自主化。柳州建筑机械总厂在上海同济大学和上海建工集团基础公司的合作下开发了OVM锚具,成为国内预应力锚具的主流,替代了国外VSL公司的产品。上海浦江缆索厂为南浦大桥研制了新一代的PE热挤护套成品拉索,以后也成为国内斜拉桥拉索的主要供应商。 
  在斜拉桥迅速发展的同时,预应力混凝土梁式桥也有了长足的进步。1984年建成了主跨111米的湖北沙洋汉江桥和广东顺德容奇桥(3孔90米),前者用挂蓝悬浇施工,后者则用5000KN浮吊预制组拼而成,开八十年代预应力混凝土连续梁桥的先河。随后,1985年又建成了哈尔滨松花江大桥(7孔90米),1986年又建成了主跨达120米的湖南常德沅水桥。 
  1988年,广东省同时建成了采用节段预制悬臂拼装施工的七孔110米江门外海桥,和主跨达180米的预应力混凝土连续钢构桥——番禺洛溪桥。可以说,这两座桥代表了八十年代我国梁式桥的最高水平。 
  八十年代,在拱桥方面出现了两种新型的结构——钢管混凝土拱以及无风撑的下承式系杆拱桥。前者以四川旺苍东河桥(主跨115米,1990年建成),和广东高明桥(2×100米中承式拱,1991年建成)为代表;后者则以芜湖元泽桥(主跨75米,1991年建成)和广东惠州水门大桥(三跨40+60+40米,1991年建成)为代表。无风撑拱圈的侧向稳定性由吊杆的非保向力效应保证,反映出国际的新潮流。 
  最后,还应当提到1982年建成的陕西安康汉江斜腿钢架桥,主跨176米的这座铁路钢桥是迄今世界同类桥梁跨度之冠,它代表着全国铁路系统设计、施工、科研单位的集体智慧和水平 
  总之,整个八十年代,中国的桥梁技术在梁桥、拱桥和斜拉桥的全方位上都取得了突飞猛进的发展。其中广州洛溪桥,和上海南浦大桥占据着特别重要的地位,起着示范的作用,为九十年代更加辉煌的成就奠定了精神和物质基础。 
  五、九十年代中国走向世界桥梁强国之列 
  在八十年代所取得的成就鼓舞下,中国桥梁工程界在九十年代开始了向世界先进水平攀登 
  1991年开工的上海杨浦大桥是第一次攀登。主跨602米的结合梁斜拉桥在1994年建成时居世界斜拉桥跨度之首,现名列第三。它是中国大跨度桥梁的又一里程碑,标志着中国正在走向世界桥梁强国之列。 
  第二次攀登开始于汕头海湾大桥,这是中国第一座现代意义上的悬索桥的建设。主跨虽仅452米,但采用混凝土桥面的悬索桥不仅居同类桥型的跨度之冠,而且由于桥面较重,其主缆和锚碇都相当于900米左右的钢桥面悬索桥,为随后建设的广东虎门大桥(L=888米)、西陵长江大桥(L=900米)和江阴长江大桥(L=1385米)起了示范的作用,意义是十分重大的。 
  在拱桥方面,我国实现了第三次攀登,继主跨312米的广西邕江桥(1996)和主跨330米的贵州江界河桥(1995)之后,主跨达420米的四川万县长江大桥的建成,使我国的拱桥记录跃居世界首位。这座采用钢管混凝土拱作劲性骨架的箱形拱桥,运用现代非线性分析和施工控制技术,充分考虑了多种材料混合使用,分层分段逐步施工中的各种非线性时变因素以及所引起的内力和应力的重分布。对该桥在施工和运营节段的强度、变形和稳定性进行了全过程分析。它的建成标志着中国作为一个建造拱桥最多的大国终于达到了世界领先水平。 
  在钢桥方面,九江长江大桥的建成是继武汉长江大桥和南京长江大桥之后的我国钢桥的第三个里程碑。该桥采用国产优质高强度、高韧性钢,完成了由铆焊结构向栓焊结构的过渡。此外,在九江长江大桥中成功地采用了多种形式的深水基础形式,为我国大江大河的桥梁建设积累了丰富的经验。 
  由于上述几个方面的示范、带头作用和国家对交通建设的大规模投入,中国的桥梁建设出现了遍地开花的繁荣景象。九十年代全国建造了许多大跨度斜拉桥,著名的有:铜陵长江大桥(L=436米,1995),武汉长江公路桥(L=400米,1995),重庆长江二桥(L=444米,1995)以及上海徐浦大桥(L=590米,1996)。此外,广东虎门辅航道桥(L=270米,1997)建成时创造了连续钢架桥的记录跨度。 
  香港的回归使三座大桥:青马大桥(L=1377米,1997),汲水门桥(L=430米,1997)和汀九桥(L=475+448米,1998)也成为中国桥梁大家庭的成员,增强了中国桥梁的实力。 
  中国虽然还是一个发展中国家,但在二十世纪最后20年中所取得的成就鼓舞下,也开始构想二十一世纪更大规模的发展。例如南北公路主干线之一的同三线上将通过五个跨海工程(自北向南依次为渤海海峡工程,长江口越江工程,杭州湾跨海工程,珠江口伶仃洋工程以及琼州海峡工程)使该线实现真正的贯通,以代替目前的轮渡连接和绕行过渡线。舟山群岛也在进行联岛工程的宏伟规划,通过六个跨岛桥梁工程和大陆相连接。中国许多沿江省会城市都通过建造多座越江大桥形成城市环线的规划,以解决日益拥挤的交通问题。 
  六、 现代化城市的重要标志——城市立交桥 
  城市人口的急剧增加使车辆日益增多,平面立交的道口造成车辆堵塞和拥挤。需要通过修建立交桥和高架道路形成多层立体的布局,以提高车速和通过能力。城市环线和高速公路网的联结也必须通过大型互通式立交进行分流和引导,保证交通的畅通。 
  从六十年代起我国就开始建造最初的立交桥。1970年北京在原城墙的基础上修筑了第一条快速二环路,并相继建造了与长安街相交的复兴门立交桥和建国门立交桥,采用机动车和非机动车分行的三层苜蓿叶形布置,是我国修筑城市立交的先声。 
  改革开放以后,广东于1983年率先修建了城市高架路以缓解日益拥挤的交通。如广州人民路高架以及区庄四层立交桥。八十年代中期北京三元桥、天津中山门桥、广州大道桥、沈阳灯塔桥和北京四环路安慧桥相继建成,形成了全国兴建立交桥的第一次高潮。 
  八十年代末的上海终于迎来了开发浦东的机遇。内环线高架,成都路南北高架和延安路东西高架形成了上海市的“申”字形城市高架路,极大地改善了市区的交通,其中位于延安路和成都路交点的五层立交以及沿内环线结点的几座立交(漕溪路立交,共和新路立交,延安西路立交,龙阳路立交和罗山路立交),都各有特点,初步展现了上海大都市的现代化风貌。 
  九十年代后期上海开始修建外环线西段和南段,通过曹安路立交和莘庄立交把外环线和沪宁、沪杭两条高速公路联结起来,在本世纪末实现了上海和江浙两省交通干线的通畅。 
  七、桥梁抗震抗风研究 
  七十年代,唐山大地震后,同济大学李国豪教授率先组织了桥梁抗震理论的研究。并参与了铁路工程抗震设计规范和公路工程抗震设计规范的项目研究和编写工作。同时开展了橡胶支座减震、隔震性能和大跨度桥梁空间非线性地震反应分析理论与方法的研究,并应用于工程实践。 
  八十年代中,在同济大学建立了地震模拟震动台(台面尺寸为4米×4米)。1988年,同济大学土木工程防灾国家重点实验室建成后,又成立了桥梁抗震研究室,率先对我国各种类型桥梁的抗震设计开展了系列研究。至今已承担了20余座大跨度桥梁以及城市高架桥和立交桥抗震研究任务,其中包括著名的江阴长江大桥、上海扬浦大桥、广东虎门大桥和贵州江界河大桥等,同时建立了各类桥梁抗震设计原则、理论及计算方法。 
  近20年来,世界上发生了多次中等强度地震,如1994年美国北陵地震和1995年日本神户地震,对现代化城市的桥梁破坏十分严重。土木工程防灾国家重点实验室正接受建设部委托,主编“城市桥梁抗震设计规程”。我国桥梁抗震研究与美国建立了多项合作,研究水平已跨入世界先进行列。 
  七十年代后期,上海开始设计建造我国首座跨度达200米的斜拉桥。同济大学李国豪教授预见到中国桥梁向大跨度发展的必然趋势,带领桥梁工程系率先开展桥梁抗风研究。1979年起,同济大学利用低速航空风洞进行了上海泖港大桥、天津永和大桥、广州海印大桥、山东胜利(东营)黄河大桥、重庆嘉陵江石门大桥等多座大跨度桥梁的节段模型风洞试验研究。1983年在国内首先开展了斜拉桥三维颤振理论研究,并于1985年首次成功地进行了上海南浦大桥结合梁斜拉桥方案的全桥气动弹性模型风洞试验,使我国成为世界上少数几个能进行这种试验的国家之一。 
  在此基础上,同济大学土木工程防灾国家重点实验室于1990年正式完成了主跨423米的上海南浦大桥抗风试验与研究,经亚洲开发银行委托的国外风工程专家的审核,给予了充分的肯定和评价。 
  1994年,同济大学土木工程防灾国家重点实验室又建成了实验段尺寸为15米(宽)×2(高)×14米(长)的大型桥梁风洞,规模居世界同类风洞第二位。该风洞先后完成了主跨888米的虎门珠江悬索桥和主跨1385米的江阴长江悬索桥的全桥气弹模型风洞实验,标志着我国桥梁抗风研究水平已进入世界先进行列。 
  我国正在规划二十一世纪初的重大桥梁工程,如长江口苏通大 桥工程、珠江口伶仃洋工程、琼州海峡工程和舟山群岛联岛工程等。可以预料,我国的桥梁抗震和抗风研究将随着这些宏伟工程的实现而达到世界领先水平。 
  八、 知识经济时代的桥梁之梦 
  本世纪末,一场新的革命悄然兴起。在十八世纪工业革命的二百年后,以信息为核心的知识产业革命将把人类带入知识经济的新时代。 
  知识经济时代实质上就是一个智能化和高效率的社会。现代通讯技术的发展使社会高度信息化,从而也使家庭生活、办公室工作、工厂企业生产、交通运输、工程建设、教育培训、医疗保健、国家管理等等活动都可利用可视通信网络和多媒体,“信息高速公路 ”实现智能化和自动化。人类的智慧和计算机网络的结合,使知识创新成为最有价值的产品,成为经济的主体和各行业的核心。 
  知识经济时代的桥梁工程将具有以下特征: 
  首先,在桥梁的规划和设计阶段,人们将运用高度发展的计算机辅助手段进行有效、快速的优化和仿真分析,虚拟现实(Virtual Reality)技术的应用使业主可以十分逼真地事先看到桥梁建成后的外型、功能,模拟地震和台风袭击下的表现,对环境的影响和昼夜的景观等以便于决策。 
  其次,在桥梁的制造和架设阶段,人们将运用智能化的制造系统在工厂完成部件的加工,然后用全球定位系统(GPS)和遥控技术,在离工地千里以外的总部管理和控制桥梁的施工。 
  最后,在桥梁建成交付使用后,将通过自动监测和管理系统,保证桥梁的安全和正常运行。一旦有故障或损伤,健康诊断和专家系统将自动报告损伤部位和养护对策。 
  总之,知识经济时代的桥梁工程和其他行业一样,具有智能化、信息化和远距离自动控制的特征。受计算机软件管理的各种智能性建筑机器人将在总部控制人员的指挥下,完成野外条件下的水下和空中作业,精确按计划完成桥梁工程建设,这将是一幅二十一世纪桥梁工程的壮观景象。 
  回顾二十世纪桥梁工程的成就,日本明石海峡大桥以1991米的跨度和50米深水基础的记录 载入桥梁史册。利用现有的高强度钢材和技术,我们已有可能在二十一世纪建造主跨4000米的大桥。如果新型炭纤维材料能解决锚固和经济性的问题,人们就有希望在二十一世纪突破5000米大关。然而,深水基础技术的进步将会减轻我们被迫增大扩大、跨度的压力。如果能成功地解决50~100米水深的新基础技术,连续多跨2000~3000米的桥梁可能是更为经济合理的海峡工程方案。 
  实现全球四大洲的陆路交通网是世界桥梁工程界的共同奋斗目标和梦想。这一桥梁之梦有可能在下一世纪中实现。我们衷心希望中国的年轻一代桥梁工程师,勤奋学习、努力创新、勇于实践,以报国为己任,让中国的桥梁成为世界桥梁史上的里程碑,使中国成为世界桥梁强国中的一员,重现中国古代桥梁的辉煌。

 

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