一、引 言
1992年,国际桥协(IABSE)在印度新德里召开了第14届学术大会(Congress),主题为“通过土木工程建立的文明”(Civilization through Civil Engineering),这一主题充分说明了土木工程对世界各民族的文明和进步有着巨大的贡献。在英文中,Civil为“公民的、民用的、文明的”之意,而Civilization则为“教化和文明”,两者的词根是同源的。可见,土木工程和文明之间的重要联系,它贯穿于人类文明发展的历史进程,从古至今,直到永远。
中国是一个有五千年文明史的伟大国家。根据李约瑟博士所著《中国科学技术史》中的记述,中华民族自公元前三千年至十五世纪的约4500年间贡献了近300项发明创造,在许多方面领先于世界各国,其中包括举世闻名的四大发明和按英文字母排列的26项重要发明。在土木工程方面就有五种桥型是中国首创的,如隋匠李春所建河北赵州桥采用空腹小拱(敞肩拱),不仅减轻了填土重量,又利于泄洪,而且增加了美感,为中华民族的智慧创造,也是古代拱桥的典范之作。再如公元前256年战国时期,李冰父子所建都江堰水利工程,使川西平原成为天府之国,至今仍造福于人民,其技术之精妙为世人所叹服。
中国近代桥梁的历史是1840年鸦片战争以来因不平等条约被迫开埠和出让路权后的一段丧权辱国的百年经历。大部分近代桥梁均由外国公司承建,留学回国的中国技术人员只能充当外国工程师的帮办和助手。1937年建成的杭州钱塘江大桥是当时唯一由浙江省自办,请茅以升先生主持,在罗英总工程师和梅旸春正工程师协助下合力设计和监造的大桥。虽然下部基础施工和上部钢梁制造仍不得不请外国洋行承包,但却是中国桥梁自主建设的先声。
钱塘江大桥
改革开放以来,中国桥梁建设也迎来了一个黄金时代。特别是在已故同济大学李国豪校长的积极呼吁下,上海南浦大桥和广东虎门珠江大桥保住了自主建设的权利,使中国桥梁工程界通过实践取得了进步。到二十世纪末,中国桥梁已赶上了世界现代桥梁的前进脚步,也赢得了国际桥梁界的尊重。可以说,中国桥梁已经走出了一条自主建设的成功之路。
上海南浦大桥 广东虎门大桥
二、21世纪初的中国桥梁
进入21世纪后,中国又迎来了新一轮交通建设的热潮,沿江大城市的环线建设,西部山区高速公路建设,以及沿海发达地区日益增加的交通量需要加密路网建设,再加上政府为拉动经济投入大量资金于交通建设,使桥梁建设以惊人的规模和速度发展。十余年间建造了数以千计的桥梁,下面介绍十座具有创意和代表性的优秀桥梁:
1. 上海卢浦大桥,2003年
主跨达550米的中承式钢拱桥,采用倾斜的箱形拱以获得“提篮拱”的美学效果,虽然较古典桁架拱多费了一些钢材和施工费用,但更具有现代气息。该桥获得了国际桥协(IABSE)颁发的杰出结构大奖,是第一座获此荣誉的中国大桥,也成为2008年上海世博会的标志性背景工程。
上海卢浦大桥
2. 上海东海大桥,2005年
我国第一座在广阔外海海域建造的跨海大桥,位于杭州湾口、黄海与东海交界处,全长32公里。面对恶劣的海上施工环境,上下部结构均采用大型预制构件的整体吊装施工。两座通航主桥采用具有创意的结合梁桥面斜拉桥,全桥统一的桥面铺装和新型伸缩缝为洋山深水港的大型集装箱卡车提供了平稳、耐久的优良行车条件。
上海东海大桥
3. 重庆石板坡长江大桥,2006年
这是一座位于原重庆长江大桥旁边的复线桥。为使新桥与旧桥的桥墩位置相互对齐,将主孔从原来的2孔174米增大为1孔330米,并采用混合桥面连续刚构的创新构造。在跨中段用108米的钢箱梁以解决混凝土刚构自重过大,跨越能力不足的难题,也克服了一般混凝土连续刚构桥跨中容易下挠的病害。
重庆石板坡长江大桥
4. 重庆菜园坝长江大桥,2007年
主跨420米的中承式刚构系杆拱桥组合的创新体系,双层桥面的上层是公路,下层为城市轻轨。该桥采用了许多优化的构造细节,减轻了自重,节约了钢材。主拱为倾斜的提篮拱,桥面以下为混凝土拱肋,桥面以上为箱形钢拱肋,形成一种混合结构。系杆为纵向分离体系,即中跨系杆和边跨系杆独立锚碇,以便于进行内力和线形的调整和控制。
重庆菜园坝长江大桥
5. 苏通长江大桥,2008年
世界第一座超千米斜拉桥,位于长江下游的南通河段。桥塔高300米,采用大型群桩基础,为防止冲刷危及高桩承台基础的安全,进行了冲刷防护。塔顶拉索锚固首次采用钢锚箱结构,用大型塔吊安装就位。为满足桥塔的抗震要求,采用有刚性限位的纵向粘滞阻尼约束装置。由于悬臂拼装长度超过500米,引进了先进的“精确几何施工控制”技术和桥面吊机,保证桥面按正确线形合拢。
苏通长江大桥
6. 香港昂船洲大桥,2008年
主跨1018米的昂船洲大桥跨越香港兰巴勒海峡,连接青衣岛和昂船洲,是一座双塔双索面混合梁斜拉桥。主跨分体钢箱梁和边跨混凝土梁组成混合桥面,在桥塔与主梁之间设置纵向液压缓冲器。298米高的圆锥形混凝土桥塔顶部用不锈钢包裹,使全桥更富有现代感,体现了先进设计理念和建筑美学的和谐统一。
昂船洲大桥
7. 武汉天心洲长江大桥,2008年
这是一座公铁二用(京粤高铁和武汉三环快速路)主跨504米的双层桁架斜拉桥。由于高铁列车速度快、载重大,采用三索面和三主桁布置,下层铁路混凝土桥面和上层公路钢桥面与主桁结合共同受力,最大单根索力达到1250吨。是世界第一座四线铁路(下层)和六线公路(上层)的巨型桥梁。
武汉天兴洲大桥
8. 南京大胜关长江大桥(京沪高铁),2009年
大胜关长江大桥位于南京长江三桥附近。为满足高速铁路对刚度的要求,不仅采用拱式体系,而且较附近主跨648米的公路桥的主跨减半,即布置成二个通航主跨为336米的中承式桁架拱和两边各两跨连续桁架,共六跨连续铁路桥。横桥向设三片主桁结构,桁距15米,分别布置两线高速铁路和两线快速客运专线。两线城市轻轨交通则布置在两侧挑臂上,全桥宽达40.4米。
南京大胜关大桥
9. 舟山西堠门大桥,2009年
主跨达1650米的舟山西堠门大桥是舟山大陆连岛工程中第四座跨海大桥,由于海峡水深,且锚碇条件较有利,采用超大跨度的悬索桥跨越册子岛和金塘岛。舟山地处强台风区,必须采用分体式钢箱梁解决抗风稳定性问题,已经历了多次强台风考验。
舟山西堠门大桥
10. 杭州九堡大桥,2011年
九堡大桥是杭州市跨越钱塘江的十座桥梁之一,北接江干区,南连萧山区科园大道,采用三跨连续结合梁桥面和钢拱组合体系。为避免强涌潮对施工的影响,首创连续拱桥整体顶推法施工。
九堡大桥
三、中国桥梁的设计误区
经过三十余年改革开放的建设,中国已走上复兴之路,虽然经济总量已名列前茅,但人均收入水平还比较低,仍是一个发展中的大国。在桥梁建设中,巨额投资也滋长了官员们好大喜功的浮躁心态,出现了一些不良的思潮和不合理的现象:
(1) 不顾经济合理性,追求跨度“之最”和“第一”的浮躁风气;
(2) 追求速度和对质量的忽视,造成不耐久不安全的隐患,而且得不到有效的克服和治理;
(3) 设计部门对悬索桥的偏爱和不正确的理念有所蔓延,似乎只有悬索桥才能代表水平;
(4) 在城市中小跨度桥梁中有许多施工不便又不经济的自锚式悬索桥被选中为实施方案;
(5) 一些地质地形条件十分有利于建造拱桥的跨谷桥梁也选用了造价昂贵的悬索桥;
(6) 在长江中上游和支流河道上航道管理部门的不合理通航要求(净宽和净高之比超过20倍)也为选用不合理的大跨度悬索桥提供了依据。
四、中国桥梁施工的落后生态
中国桥梁的施工也存在装备落后因而过于依赖人力的问题。施工装备的不断进步将使工地现场的工作日益减少,演变为专业化大型构件的工厂预制和大型自动化施工机械的现场拼装就位。根据发达国家的经验,随着施工装备的进步,工地现场的工人也以每十年减半的速度递减,即从50年代的数千人到90年代的仅百人左右。进入21世纪后,发达国家的工地往往只有数十人的规模,巨型施工设备和计算机操作完全改变了桥梁工地的生态面貌,而工程质量却不断提高。反观中国的大桥工地仍聚集着大量农民工,专业化程度不高,这也是中国桥梁的施工安全、质量和耐久性存在缺陷的主要根源。从这点看,中国桥梁要赶上国际先进水平还有很长的路要走。中国桥梁施工的工业化程度现已落后于国内高层建筑和隧道的施工,因为高层建筑工地面积有限,隧道工作面也很狭窄,容纳不了很多工人,必须更多地依赖先进装备和专业公司分包的工业化施工,使工程质量得到很好的保证。而中国桥梁工地仍有大量民工在现场施工,这一落后的状态必须尽快改变。
五、世界大桥的未来发展趋势
(1) 采用高性能、高强度材料和高性能复合材料,以延长寿命期,提高耐久性,体现节约资源和环保的可持续发展理念。
(2) 慎用悬索桥,优先考虑具有刚度大、抗风性能好、拉索可更换、施工简便快速、避免深水锚碇等优点的斜拉桥。利用斜拉桥的跨越能力解决10公里以上跨海长桥的难题。
(3) 加快深水基础研发,避免被迫放大跨度,以提高对隧道的竞争力。采用多跨双层桁架桥面斜拉桥跨越海峡,并可满足公铁二用、应急逃生、中途回程和专用管养通道的需要。
(4) 开发大型施工装备(造桥机、浮吊、塔吊等)、先进监测管养设备以及桥梁附属部件(支座、伸缩缝、阻尼器等),为提高工程质量提供装备保证。
(5) 建设现代专业化分包企业,减少工地施工人员,努力赶上发达国家的水平,创建中国桥梁的国际品牌。
六、结 语
中国桥梁建设30年的成就是有目共睹的。我多次说过,即使我们还没有原始创新技术,但能够将西方的先进技术在中国的大桥实践中加以改进和拓展也是很了不起的,但我们仍不能骄傲自满,要看到不足和差距。在材料性能、软件、硬件设备、规范等方面仍有差距;在创新、质量和美学方面仍有不足。
要成为强国必须在与发达国家的竞争中,以技术的先进性、经济性和全寿命期中优良的养护服务等方面取胜,才能使对手信服,业主满意,并为国际桥梁界所公认。桥梁强国决不是自封的,更不能自吹自擂。只要我们不盲目自满,就一定能在不久的将来通过自主创新的成果,发展成为世界经济强国和科技强国。希望年轻一代的桥梁工程师继续努力。
参考文献
[1] 项海帆等. 中国桥梁史纲. 同济大学出版社,2009
[2] 项海帆. 世界大桥的未来趋势. 2012年武汉桥梁学术会议论文集. 人民交通出版社,2012.
[3] 项海帆. 中国桥梁(2003-2013). 人民交通出版社,2013