桥梁的发展
风采依然的古代桥梁闻名于世的古罗马石拱桥和输水桥,经过2000多年的风风雨雨,经受了洪水、地震和战争的考验,如今仍有30多座存在于世,这不能不令人叹服。
罗马的石拱桥都是半圆拱形,在墩顶常开小拱以利泄洪。罗马盛产天然水泥,所以非常有利于石拱桥的发展。
拱石密切吻合,像磨合在一起一样。因而石拱桥的承受能力相当优越。例如罗马著名的米尔文桥。在第二次世界大战期间,曾经多次有坦克纵队通过,但拱桥却丝毫未受影响。而有些当时刚建不久的钢筋混凝土大桥却发生了明显的变形。
久负盛名的中国铁链桥,是世界上最早的铁链桥。今天,在云南、四川、贵州和西藏等地,仍有世界上现存最古老的铁链桥。它们各具特色,其中以四川、贵州的铁链桥载荷最大,质量最好。
悬臂木梁桥,是公元3世纪前后羌族人在甘肃到新疆吐鲁番间创造的一种新桥式。这种桥特别适用于山区,在我国西北,西南山区到处可见。
我国妇孺皆知的赵州桥是隋朝工匠大师李春的杰作。赵州桥,也叫安济桥,岿然屹立于河北省赵县洨河之上已有1400年了,是我国建桥艺术的精华。这座石拱桥,全长50.82米,中间一孔,跨度37.02米。这独孔的“拱圈”不是一般的半圆形,而只是圆弧的一段,形成一个“扁弧”,所以拱上跨面平缓,便于车马通行。桥宽约9米,分为三股,中间走车,两旁行人,均由石块铺成路面。在路面与扁弧拱圈之间,桥中心两旁,各有一个三角地带,名为“拱肩”。一般石拱桥,都用土石将此拱肩填满,成为“实肩”。但赵州桥却在两边三角地带,各开两个小拱洞,使“实肩”,变为“敞肩”,因而赵州桥是世界上石拱桥中最早创建的“敞肩”拱桥。
桥的拱圈,全由石块砌成,按一块石厚度,砌成一道拱圈,全桥共有28道拱圈,各自独立。但彼此密切贴合,形成整体。拱圈两脚,嵌入两岸桥台,由5层石料覆压于砂土地基而筑成。桥上路面两旁,各有扶栏望柱,栏板为蟠龙石雕,望柱上有狮首石像。
赵州桥因为是独孔桥,所以不存在压缩河道抬高上游水位的问题,进而也把冲刷、沉积等问题降到最低点。因为是独孔,也避免考虑水中筑墩、日后洪水冲击坍塌等。
赵州桥的石拱是扁弧形,这恰好暗合了力学原理。扁弧比半圆更好,可增加强度及稳定性。同时,扁弧不但比半圆利于车马通行,还大大降低造价,节约石料和人工。
赵州桥历时千载而依然屹立,首先归功于其设计与施工。它吸收了古桥与新桥的精华,在艺术上,赵州桥也堪称精品。它的弧形扁拱和拱肩小拱,线条柔和,构造空灵,既稳重又轻盈,寓雄伟于秀逸,对后世的桥梁设计有深远影响。
西方在中世纪漫长的年代里,桥梁建设处于停滞状态,建造的比较有名的桥,如意大利的魔鬼桥,英国的旧伦敦桥等,质量都很差,而到了文艺复兴时代,因为思想解放,百家争鸣,大师辈出,终于摆脱了中世纪桥梁质量低劣的状况,开始走向精美。
首先,大桥出现桥架;其次,是技术和艺术的完美结合。其中最有代表性的是威尼斯的利雅托桥和佛罗伦萨的三一桥。
利雅托桥以大理石建店铺、拱廊、台阶和栏杆等著称于世,而且整座桥的线条都柔和悦目。三一桥的拱曲线是一种新的创益,它不是一般的圆弧线,而是两条抛物线的绝妙结合。
总而言之,这个时期西方的桥梁,既是工程设计,又是艺术创造,既是一座桥梁,又是一件大型艺术品。
因此,许多古代桥梁至今仍然风采依然,熠熠生辉。
气势恢弘的现代桥梁社会发展到今天,人们已不再为河流、山谷等天然障碍所阻,因为各式各样的桥梁飞架,使天堑变通途。为使车轮滚动,仅美国即建有50万座桥梁,其长度从数十米到数千米不等。
不论长度如何,每一座桥都是为通过障碍所建的。如果路面必须横过一片广阔的空间而无中间支持时,最实用的形式当为悬吊设计,也就是将桥面用钢缆吊起来,钢缆本身则固定于巨大桥塔之上。诸如纽约市与新泽西州之间的乔治·华盛顿大桥,从一对钢塔上倾斜而下的钢缆,悬吊着其长达1067.2米的主跨。如今,它已经受了亿万辆汽车驰过的重大考验。如果桥距较短,则仅用简单的钢筋混凝土梁即可。在此两极端之间,还有不少其他形式的桥梁,每种所用的材料都经过精心研究,以求适合其特殊形状与构造。当然,任何一种桥梁,都必须是足以承担车辆重大负荷的。
全世界有亿万辆汽车在行驶,为此,工程师不得不去寻求更快、更简便的造桥方法。近代公路使用最多的就是短跨度桥梁。它一般都用钢筋混凝土模制而成。但这种结构形式易受拉损,所以还需要另行加固。拉力是由一根简单的平梁受到负荷而产生的,因为重量会使桥面趋于向下弯曲,结果是底部逐渐被拉长。为此,必须增加拉力强度,混凝土须用钢筋与钢丝网来使之强化。这种钢筋是在经过计算可以吸收各种应力的铸模内铸成的。铸模的形状往往为一桥拱,以帮助大梁去承载桥面。
利用钢筋混凝土来建造中、短跨度桥梁,可由意大利圣古拉诺桥略窥一斑。它的桥拱、大梁与正中段的桥面整个合为一体,形成一座坚固美观的桥梁。
还有瑞士的曲线型斯万伯赫桥,它是1933年修建的,桥面与大梁是连成一体的,然后再将它安置在虽纤细但极坚固的弧形混凝土桥拱上。
最近,桥梁专家们又找到了一种既不笨重又不太花钱的技术——预应力加强混凝土的精巧方法,来修建长距离的大桥。用这种方法,可以模制出与钢梁同样长也同样纤细的混凝土梁。它不必像钢筋混凝土梁那样在塑模内装上复杂的钢筋和铁丝网,而只需在塑模内使用多股纵长钢丝,自此端盘绕伸向彼端,再行绕制;此等钢丝即是将混凝土的每一分子紧系在一起,使拉力不致将混凝土梁拉损。于是,这便成为一根十分坚固而稳定的结构,可以跨越数百米的天堑而勿需中间支撑。更绝妙的是,产生此种力量仅仅需要一般钢筋混凝土结构所需钢料的一半,混凝土用量也只需前者的80%左右。
世界上最长的公路桥,就是这种预应力混凝土桥,它横跨美国的庞彻楚恩湖,延伸到新奥尔良附近的浅湖地方。从城市到湖北岸约38.4千米的全程中,足有12.8千米是完全看不到陆地的。
有的地方水域太深太宽,无法建造吊桥所需的桥墩,也无法建造如此宽广的桥拱。于是,人们就干脆将桥梁铺在平底船上,让每一桥节全部由它所跨越的水面来支持。例如美国西雅图的胡德运河的一段桥,它直越过1.61千米多宽的水道,其路面便完全是安置在23个用预应力混凝土制成的巨大中空的平底船之上的。为了避免路面被水流整个冲走,该桥用了25.6千米长的钢缆来系紧,每条钢缆都吊结在900吨重的混凝土锚定物上。为了使来往船只顺利通过,工程师们将四车道的中段做成滴漏型。轮船行近时,滴漏中央部的细颈即可分别缩进两端膨胀部分去。轮船通过后,开合桥跨的两半部分又滑向原处,开放路面让每日经过的5万辆汽车照常通行。这道浮桥曾经受过128千米/小时的暴风,交通却一直风雨无阻。
现代桥中还有一种比较多见的样式,就是我们所熟悉的斜索桥。这是第二次世界大战后应运而生的桥梁样式。那时原联邦德国到处是战争的废墟,如何恢复那数千座被毁的桥梁,确实是个棘手的问题。在绝对需要的情况下,德国桥梁工程师创造了一种全新型的桥梁——斜索桥。这样,既可在投资上配合财政预算,又可在强度上负担起不断增大的交通量。
斜索桥是用细钢丝去局部支撑钢制的或预应力混凝土制的细长路面,其余的支撑则来自桥面和大梁本身的强度。因而,它比一般的吊桥可节约钢材50%。
世界上最长的斜索桥之一——莱茵河桥,就在斜索桥的故乡德国。这座气势恢弘的大桥,其主跨长达302.3米。6条钢缆悬挂在一个桥塔上,借以支撑桥面的钢梁结构。
跨海大桥应运而生目前世界上已建成很多跨海大桥,这里只列举几个比较有名的例子。土耳其境内的博斯普鲁斯海峡大桥,是一座跨海公路大桥,全长1560米,中央跨度为1074米。大桥于1973年10月30日建成通车,从而打通了小亚细亚半岛与欧洲巴尔干半岛间的陆上公路干线;1983年3月,科威特建成了布比延跨海大桥。它也是一座跨海公路大桥,全长2383米。它是在我国和法国共同帮助下建成的,大桥的落成,使科威特与布比延岛连成了一体。
现在世界上最长的跨海公路大桥是波斯湾上的巴林——沙特跨海大桥。建造此桥的设想,最早是由沙特阿拉伯已故国王费隆尔和巴林的埃米苏莱曼于1965年提出的。1982年11月破土动工,1986年11月26日建成通车,投资10亿美元。共用了16万吨水泥,4.7万吨钢材。该桥全长25千米,分上下4个汽车道,每天可通过5000~10000辆汽车,它结构新颖,构造复杂,是海湾地区最先进的工程之一。大桥的建成密切了沙特阿拉伯和巴林这两个盛产石油和天然气的海湾国家间的经济和贸易往来,使巴林成为海湾地区的旅游中心。
目前世界上最长的铁路、公路两用跨海大桥是日本的濑户大桥。该桥于1979年1月动工兴建,到1988年4月10日建成通车,历时9年多,总投资11300亿日元。这座大桥全长12.3千米,由3座吊桥和两座斜拉桥组成,最大跨度是1100米,而桥塔高达194米,是尼亚加拉瀑布高度的4倍。全桥用掉的钢材,相当于105座东京电视塔所耗用的。大桥的桥面有4个汽车道,可以通过载重量为43吨的大型汽车,下层是双线铁路,可承担的负载重量达1400吨,可耐受8~8.5级地震。这座跨海大桥把本州的冈山县与四国的香川县衔接起来,从而实现了通过跨海大桥、海底隧道把北海道、本州、九州、四国四岛连成一体的计划,对日本的经济发展起了重要的作用。
我国最长的跨海公路大桥——厦门跨海大桥,全长6599米,宽23.5米,设双向4车道,于1991年12月19日已正式通车。
建造跨海大桥比建造陆上江、河大桥复杂得多,这主要是因为跨海大桥一般规模大,跨度一般也比陆上的大桥要大得多,所以对建筑材料和工程结构设计上的要求就更高,施工难度也大得多。跨海大桥的出现标志着陆上大桥建设工程向海洋发展,它是桥梁建筑史上的一个新的里程碑,为人类提供了一种建立海上通道的新方式。
港口
在西方,地中海沿岸有许多古代重要港口,例如:在希腊克里特岛上有古代港口的遗址;非洲北部曾有著名的迦太基港口;马其顿王国的国王亚历山大曾在公元前232年修建了亚历山大港,这个港口曾经多次修复,至今仍在使用。
然而古代的港口仅是选择一个天然的深水、避风的港湾,进行简单的施工建造的。这种港口到工业革命时期就不适用了。工业革命带来了交通的巨大变化,更多的船只被造出来运输原料和产品,而且与古代的船相比,它们的载重量大得多,体积也大得多。原有的港口相对于庞大的船队来讲,简直就像巨人睡在儿童床上似的。
为了改变这种难堪的局面,人们纷纷想办法扩建原有港口和新建一些港口。像世界第一大港荷兰鹿特丹港始建于16世纪,在1863年开挖了通往北海的31.5千米长的新水道,并以此为基础修建了港区。而世界第三大港比利时安特卫普港,在1982年仍开发新港区,修建新港池,施工总面积约650万公顷,深水码关岸长达4.6千米,旧港扩建在工业革命后成为港口建设的一大重点。
另一种方法是修建新港口。根据水文、地质、气候等因素,人们选定一处地方,然后进行施工。日本的名古屋港就是这样的一个深水港,它于1896年才开始建港,1907年定为开放港口,有的港口则干脆用围海造田的方法来修造,省却了许多工序。日本的神户港自1966年动工建造人工岛,由钢筋水泥构筑的第一座人工岛名叫港岛,它的面积为436万平方米,有800多个足球场那么大,经过15年时间,耗资5300亿日元,填土436万平方米,修建的15个杂货码头年吞吐能力达730万吨。这座人工岛就是一座新城,居住、文化、娱乐、疗养等设施,岛上应有尽有。
1990年,神户又修建了第二个人工岛,名叫六甲岛,它填土12000万立方米,比港岛还要大1/3。这些新港的建立无疑对航运事业产生了重大而积极的影响。
现代的港口越来越大,技术和装备也越来越先进,一般的大型港口都修筑有运输货物的铁路和公路。德国的汉堡港内铁路线总长约有600千米,比广州到衡阳的铁路干线还要长。
港内都配有大型的装卸和运输机械,新加坡港每年吞吐10600万吨,都是靠这些装备来完成的。不仅如此,港口还配备了各种雷达、电子仪器,以及供电、照明、通信、导航、给水、排水等设施。
为了适应未来海洋运输的发展,有必要对现有的港口和航道进行综合改革。