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梁桥——古老而实用的创造

梁桥——古老而实用的创造

作者: 吴1362 | 来源:发表于2020-05-19 06:59 被阅读0次

    当我们的祖先们在跨越河流时想到把河边的木头躺倒下来作为路面架桥时,最早的桥梁就出现了。

    后来,随着人们探索的不断深入和实验,两墩架一梁的方式,就成为了人类在造桥历史上最为古老、最为经典、最为实用、最为便宜的桥梁,称为“梁桥

    梁桥在我国古代也是实用最普遍、出现时间最早的的桥梁,古时亦称作平桥。它的结构简单,外形平直,比较容易建造。把木头或石梁架设在沟谷河流的两岸,就成了梁桥。

    早在原始社会时,我国就有了独木桥和数根圆木排拼而成的木梁桥。战国时期,单跨和多跨的木、石梁桥已普遍在黄河流域及其他地区建造。春秋时期,在齐国的京城山东临淄的考古挖掘中,首次发现了梁桥的遗址和桥台遗迹,两处桥梁的跨径均在八米左右。

    北魏郦道元所撰写的《水经注》中记录了汾水上一座始建于春秋时期晋平公时的木柱木梁桥。桥下有30根柱子,每根柱子直径五尺,这是见于古书记载的最早的一座桥。

    在用木头和石块架桥的时代,梁桥在我国南方地区,特别是福建省和广东省盛极一时,因为这里盛产坚硬的花岗岩是打造石梁桥的绝佳材料。

    这里以福建泉州洛阳桥为例:

    图片来自网络

    ​洛阳桥原名万安桥,是古代中国桥梁建筑的杰作之一,中国最古老的石梁桥之一。它位于洛阳口,距福建泉州城区5公里,现为国家级重点文物保护单位。作为中国现存最早的跨海石桥,其"筏型基础"、"种蛎固基法",是中国乃至世界造桥技术创举,充分显示了中国古代劳动人民的非凡智慧。

    注解:

    筏形基础:桥墩为木筏型,可以在涨潮退潮时减少水流对桥墩的冲刷,增加使用寿命。

    种砺固基法:利用养殖海蛎的方式来固定桥墩与基础。

    随着现代炼钢法的成熟,崭新的桥梁时代来临。

    然而对于当时的中国而言,钢桥是如此先进、如此昂贵(详见我的前一篇文章),基本只能用于铁路建设。设计、建造、资金也只能依靠西方国家,直到1937年,杭州钱塘江大桥落成,我国才有了自行设计建造的第一座公铁两用桥。

    只是大桥通车后不到3个月日军便攻陷上海,为了阻止敌军经此渡江,设计大桥的茅以升先生不得不亲手将其炸毁,大桥从此沉入江中。直到16年后才重新与世人见面。

    这座大桥最大单跨约66米,相邻两墩上各架一横梁,称为简支梁桥:

    其主梁以孔为单元,两端设有支座,是静定结构。一般适用于中、小跨度,结构简单,制造、运输和架设均甚方便,多做成标准设计,以便于构件生产工艺工业化、施工机械化,提高质量,降低造价,也就是工厂预制+现场拼装的快速化工厂化安装模式。

    这样的桥梁会受到怎样的受力呢?

    首先,桥梁的自重使得桥面向下弯曲,同时加上桥梁上的载重,产生向下挤压桥面的压力。同时桥面还会对桥墩产生张力,也就是扭力。

    桥面的重量传导到桥墩,对桥墩产生向下的竖直压力。

    所以,而若要进一步提高跨度,这种桥必将面临一场进化,于是连续梁桥诞生了

    福州——厦门高铁过闽江桥

    其主梁若干孔为一联,一个桥面连续支承在几个桥墩上,是超静定结构。当跨度较大时,采用连续梁较省材料。

    关于什么是桁架,后面会讲到。

    通俗的说,这是一种“多墩架一梁”的桥,由于梁体连续不间断,前后的弯曲可以互相约束,想被“折断”就没有这么容易了。

    在中国,那些最早战胜了长江这一天险的桥梁,都是连续梁梁桥,其中的南京长江大桥,最大单跨达160米,由我国完全独立设计建造,正所谓:

    “一桥飞架南北,天堑变通途”  ——人教社历史课本

    1968年,南京长江大桥落成,它是长江上第一座由我国自行设计建造的桥梁

    除此之外,还有一种梁桥,称为悬臂梁桥:

    其上部结构由锚固孔、悬臂和悬挂孔组成,悬挂孔支承在悬臂上,用铰相联。

    梁桥为桥梁的基本体系之一,使用广泛,在桥梁建筑中占有很大比例,其上部结构可以是木结构、钢结构、钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构或钢筋混凝土桥面板和钢梁的组合结构。

    而除了钢桥的突破,另一种新技术也在我国逐渐普及。

    它的原理十分巧妙,在混凝土中置入预先被拉伸的钢筋,钢筋如同被拉开的弹簧,自带强烈的“收缩欲望”。若利用这种“内力”去平衡外力,梁体便能承受比原先更大的荷载,从而支持更大的跨度,这就是预应力混凝土技术。【注意,预应力技术在外观上是基本看不出来的,图片只是示意图】

    在这里我们假设桥面能够受到的最大横向压力为F,桥面自重0.1F,那么,正常桥梁的负载F(max)为:

    F(max)=F-0.1F=0.9F

    受力分析如下图所示:

    如果采用预应力的技术,让钢筋给桥面一个向上的0.6F的张力,那么桥梁的负载F(max)为:

    F(max)=F+0.6F-0.1F=1.5F

    受力分析如下图所示:

    这样一来,只改变来桥梁的工艺,就能够增加66.7%的最大负载。当然在实际应用中可能达不到这么高的比率,但是能够大大提升桥梁的负载。

    在预应力技术的加持下,大量公路桥梁如雨后春笋纷纷登上历史舞台,钢筋混凝土桥梁在公路中十分常见,下图为连霍高速宝鸡-天水段:

    图片来自星球研究所

    时至今日,梁桥的应用依然十分广泛,甚至已形成标准组件,可以工厂制造、现场组装。即便其单跨跨度有限,但前后彼此相连,亦可如同逶迤蜿蜒的巨龙,横贯江河,跨越海湾。

    图片来自网络

    甚至在某些地方彻底取代路面,以桥代路。可能看到这里你会有所疑问,为什么非要建设桥梁来取代路面呢?

    第一,桥梁的建设工期比路基来的短,可以节约时间成本,达到尽快通车的目的。据不完全统计的数据,国外建设路基的高速公路施工工期一般都在3年以上,而如果采用桥梁的施工方式,可以将工期减少1-2年。

    另外,桥梁可以在桥下留出通行空间,减少对环境的影响。如青藏铁路穿越自然保护区段采用以桥代路、以隧代路的形式,也有考虑到高原生态系统调节能力脆弱的因素。

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