【摘要】橋梁工程在20世紀中取得了顯著的成就。由于設計理論的進步和各種新材料、新工藝的出現。尤其是電子計算機的出現和應用，使橋梁的結構形式和跨度有了飛躍的發展。人們在橋梁工程方面發現的規律和取得的寶貴經驗為21世紀的橋梁發展奠定了基礎。本文小結了橋梁工程在20世紀中的成就，對橋梁向大跨度、柔性結構發展的問題以及采用復合結構、新材料、新工藝等問題進行了探討，并循其規律預測可能發展的趨向。
【關鍵詞】橋梁跨度 復合型橋梁 高性能混凝土 纖維加勁塑料 耐久性

一、20世紀橋梁工程的主要成就
20世紀是有史以來科學技術進步最為迅速的時代，人們在科學技術方面所取得的成就遠遠超過以前數百年中的成就。橋梁工程作為一項綜合性技術，是在諸多學科的基礎上發展起來的。在20世紀中橋梁工程技術有了重大突破，并且還將迅速地邁向更高的水平。
1．跨度的不斷突破創新
橋梁的跨度是一項重要指標，各國對此都十分重視。20世紀中各類橋型的跨度紀錄不斷地刷新，但其發展是不平衡的。總的趨向是橋梁結構向大跨、高強、輕型的方向發展，以纜索交承的柔性體系橋梁的發展占據了橋梁發展的主導地位。由圖1及圖2中可以明顯地示出這一趨向：

·在懸索橋方面，從19世紀末的486m跨度，經歷了空氣動力學上的認識，纜索材料及施工技術上的進步，最后使日本明石海峽大橋的主跨達到了1991m。
·在斜拉橋方面，自1955年瑞典斯特羅姆松德橋（Stromsund）奠定了近代斜拉橋基礎后，德國首先推廣了鋼斜拉橋。此后在我國及其他國家大量采用預應力混凝土斜拉橋，以后又發展了各種復合型的斜拉橋，使這種橋到得到了很大的發展。尤其是采用計算機技術為主要手段對橋梁本身以及周圍介質對結構的影響進行分析后，使空間、非線性以及動力計算上諸多難題得到較完善的解決。同時由于斜拉索材料和安裝手段的進步，使斜拉橋成為在20世紀中橋梁跨度發展最快的橋型。到對世紀末，跨度已達到了近900m。
·在鋼筋混凝土拱橋方面，由于結構特征適于混凝土的受壓特性，在20世紀中在施工工藝上又擺脫了膺架法的桎梏，發展了懸吊安裝、平轉、豎轉、浮運以及剛性骨架等手段后，使鋼筋混凝土拱橋的跨度由世紀初的100m發展到萬縣長江大橋的420m。這也是一項重大的發展。
·在預應力混凝土橋梁方面，自法國的弗萊西奈（FreySSinet）教授于1938年完成了其理論及實踐后，到1952年預應力混凝土橋的跨度即突破百米。直到20世紀末已超過300m大關。
·值得我們關注的是鋼管混凝土橋的發展。1940年前蘇聯已開始研究采用這種復合型構件組成的橋梁，尤其是拱橋，并有了一定成就。鋼管混凝土構件在受壓及小偏心受壓條件下由于鋼管的套箍作用有很多優點，同時在施工上可以先完成鋼結構體系，然后在結構中逐步填充混凝土，簡化了施工工藝，所以，最近20年來這種結構在我國有了長足的發展。估計目前有100多座這種類型的公路橋梁已經完工或在施工中。到20世紀末已完成的鋼管混凝土橋跨度達273m，正在施工的鋼管混凝土拱橋跨度達360m，以鋼管混凝土構件做加勁梁的懸索橋，其跨度達560m，也在施工之中。
·在鋼桁梁橋及鋼拱橋方面，20世紀中其跨度發展較緩。鋼桁梁橋的跨度仍維持在20世紀初的水平上，未曾突破。由于這種橋式的計算理論比較成熟，我國在跨越大江大河的公鐵兩用特大橋上，如武漢、南京、九江、蕪湖等關鍵工程，均采用了這種橋式。在跨度上，由武漢長江大橋的128m發展到蕪湖長江大橋的312m。我國在鋼桁梁橋的鋼種選用上也不斷地邁上新臺階。在結構上發展了栓接的整體節點及混凝土橋面與鋼行梁共同作用的復合體系，這些成果推動了我國鋼橋技術的發展。
3．中小跨度橋梁的蓬勃發展
中小型跨度橋梁占橋梁數量中的絕大多數。20世紀中這種橋梁中以混凝土及預應力體系組合的橋型為主流。這些橋梁可按以下幾方面進行區分：
·從材料上來說，20世紀中推出了各種高性能的混凝土如高強、輕質、早強、緩凝、微膨脹、不離析、自密實等不同的品種；
·在預應力體系方面，發展了各種品牌的高強鋼絲、鋼絞線及高強度螺紋鋼筋以及它們配套的張拉設備。
·從結構體系上，有簡支、連續、剛構、V型墩、雙壁墩、桁拱等多種形式；
·從施工工藝上有預制及現澆之分，又有不同的施工方式，如膺架法、架橋機、造橋機、頂推、懸臂、浮運等區分。
將以上各項進行不同組合后，優選產生了種類繁多的橋梁型式，達到了百花齊放、蓬勃發展的地步，大大改變了交通的狀況。
近20年來又出現了復合型橋梁結構，即充分利用了鋼及混凝土承受外力不同性質的特點，將鋼結構與混凝土結合起來，形成了結合梁及主跨為鋼結構而邊跨為混凝土結構的混合型橋梁。這種橋型已經運用到斜拉橋及懸索橋上，發展前景是十分廣闊的。近年來又推出了以折疊鋼板或波型鋼板代替混凝土箱梁腹板的橋型，這一結構形式可以減輕傳統預應力混凝土箱梁的自重達1/2～1/3，在中小型橋梁上將有很大發展。
本世紀在中國、美國、日本、土耳其等國家的人口密集區均發生了嚴重的地震災害。人們對地震的破壞機理有了更深入的認識，研究出了一系列相應的對策。現行的抗震設計規范均做了修改，在橋梁的修復、重建技術上總結了不少經驗，對新建橋梁的防震、免震技術上也在繼續研究之中，這將是21世紀在各類橋梁的設計上必須重點關注的技術之一。
在本世紀中大量采用混凝土材料的同時對其耐久性的認識是不足的。一般認為混凝土結構的使用年限為50～100年，但不少結構由于種種原因使用了10～20年后即需維修。根
據資料（[1]）統計，目前美國50萬座公路橋梁中有20萬座已經損壞，平均每年有150～200座將部分或完全坍塌，而其壽命往往不足20年。修復這些橋梁的費用達900億美元之巨。因此，不斷提高混凝土的耐久性，將僅以強度設計為準的原則，改為同時考慮耐久性的設計原則是當務之急。否則在21世紀的10～30年代，我國也將有大量橋梁進入維修期，將是一個
沉重的負擔。

二、對21世紀橋梁發展趨向的探討
1．對橋梁繼續向柔性結構發展的探討
橋梁向更大跨度的柔性結構發展中，首要解決的是在氣動及行車動力響應下結構的安全及穩定問題以及在高速行車條件下的人身安全及舒適度的要求。因此必須進一步加強對橋梁的動力條件下的分析計算和實驗研究工作。在計算機技術不斷發展的今天，如何正確地描述結構的動力行為以及旅客的反應還需做大量的工作。關于如何增大特大跨度柔性橋梁的剛度問題，根據各國專家的建議，可初步歸納為以下幾點：
·將截面做成適應空氣動力要求的箱形、三角形、弧形或分離的如圖3（a）所示的各種流線型加勁梁，使具有足夠的豎向、橫向剛度及抗扭剛度；

·采用具有斜索面的或如圖3（b），（c）所示的以纜索為主的空間網狀承重體系，以加強各向的剛度；
·采用懸索+斜拉的混合型橋式，將超大的主跨分解為兩種體系，使與跨度平方成比例的懸索橋部分纜索減載；
·采用輕型而剛度大的復合結構做為加勁梁，并采用自重輕、強度大的碳纖維材料做主纜。
各國專家對已蘊釀多年的直布羅陀海峽橋、墨西拿海峽橋、馬六甲海峽橋等均有了各種建議的方案，我國瓊州海峽橋也擬出了2km主跨的連續懸索橋方案。這些大橋在科技不斷進步的21世紀中必將逐一變為現實。
近期我國已在進行高速鐵路的建設，其中必將在長江上修建可通過高速列車的特大跨度橋梁。這是我國在21世紀中首要解決的關鍵問題。
2．工程材料的發展必將使橋梁工程有重大的進步
在工程材料上，首先是鋼材的發展。我國還須進一步開展低含碳量和含其他合金元素。經過微合金化和晶粒細化處理的超高強度鋼材的研究和生產，這種超高強度鋼材應具有優異的焊接性能。在20世紀我國已建成了采用可焊性良好的4MnNbq及15MnVNq鋼及栓焊整體節點組成的大型橋梁，但尚需進一步發展，向超高強度鋼及全焊鋼梁結構發展。
混凝土在21世紀中仍是橋梁最主要的建筑材料。在改善混凝土性能方面，重點在使其耐久性達到良好的指標。這主要是改善混凝土內部結構，摻入高效減水劑及活性礦物摻合料，使孔隙率大幅度降低來提高其耐久性。特別是以水泥為基料的含有超細微粒的硅灰及纖維增強材料最有發展前途。目前實驗的強度已達到200MPa（［2］），其特點及遠景為：
·使橋梁自重減少1/3～1/2，與鋼結構的重量相似；
·耐久性、抗凍性加強，延長結構壽命，減少維修工作量；
·具有很高的彎曲應力（20～25MPa），這樣可以免去表面分布鋼筋及部分力筋的設置，混凝土工程將大為簡化。
在鋼管混凝土復合結構方面，我國現有的水平尚需進一步提高，例如：
·在鋼管混凝土內填充含有超細微粒的硅灰及纖維增強混凝土后，承壓力可能達到350MPa，這將使桿件更為纖細化。
·在鋼管混凝土構件中引入預應力，可擴大受拉構件的使用范圍；
·在鐵路橋梁中采用鋼管混凝土結構，節點的疲勞成為突出的問題。在這方面，海洋石油平臺多年的工程實踐經驗是值得借鑒的。
隨著航空工業及原子能工業的發展，人們在20世紀中已經研制出了各種類型的纖維增強塑料（FRP）。它們具有自重輕、強度高等優異性能，必將成為橋梁今后主要采用的材料。如采用FRP的模拔型材已在試用，更有發展前途的是用纖維增強塑料（FRP）來制成力筋及纜索材料。如瑞士的米勒（Meier）教授認為，主跨為8400m的直布羅陀海峽橋方案中，由于鋼索的自重過大，只有采用碳纖維增強塑料（CFRP）才有可能完成。
3．在設計理論及施工工藝上必將進一步結合
橋梁結構向大型化、空間化發展后產生了結構的復雜性和施工的可能性的問題。這兩者的統一是完美地建造重大工程的關鍵。20世紀中若干重大橋梁的設計及施工手段的結合，使人們對如何完成優良的工程有了新的看法。
例如，在20世紀末葉建成的丹麥大帶海峽（Great Belt）橋、加拿大的諾森伯蘭海峽（Northumberland Strait）橋和丹麥、瑞典間的菲阿桑橋（Feresund）的設計及施工中如何正確地選取橋梁上下部結構，以及相應的施工手段是一個非常關鍵的問題。由于上述橋梁在設計中選用了整體預制的大型混凝土構件及相應的特大型浮吊，使工程得以在高質量、高度機械化、高速度及低成本的條件下順利完成。這種設計理論和施工手段將在21世紀中必將得到更大的發展和更多的應用。
我國橋梁的設計及施工分離的狀況宜按此經驗改變，這將促使橋梁事業的良性發展的進程。
迄今為止，世界上在橋梁基礎工程上尚無深于100m的深水基礎工程實踐。而在石油工業上，水深400m的石油鉆井平臺早已實現。所以，借鑒海洋石油工業中鋼結構及預應力混凝土結構兩種類型的海上采油平臺及貯油庫的修建經驗，對加速橋梁深水基礎及設置沉井基礎 （Placing Foundation）的發展是十分必要的。
4．21世紀中必將十分重視橋梁美學及環境保護
橋梁工程是大自然中具有魅力的空間建筑物。古代橋梁建筑與周圍環境協調和諧、相互輝映的例子甚多。20世紀中特大型橋梁及城市中的橋梁多成為景觀效果上的關鍵建筑物。我國在20世紀50年代時提出的"適用、安全和適當照顧適美觀"的原則已發展到"安全、適用、經濟、美觀"并重的原則。世界上在20世紀中有許多橋梁的造型十分震撼人心，其影響是深遠的。如30年代的美國的舊金山橋以及西班牙賽維利亞（seviille）市無背索的單跨斜拉橋--阿拉米羅橋（Alamillo）；瑞士的剛性拉板斜拉橋--甘特橋（Ganter）；又如我國香港地區采用4索面的汀九斜拉橋，等等，使人類認識到橋梁建筑藝術造型的價值及藝術與經濟的統一。因此，21世紀的橋梁結構必將更加重視建筑與藝術造型并重，必將注重環境保護與環境協調，進而使我們的生活環境更加美好。

參考文獻
[l]浦心誠．混凝土，2000-l"論混凝土工程的超耐久化"第3-7頁
[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頁