橋梁結構和建造史 — 近代橋梁的發展 - 土木

近代橋梁的發展

　　17、18世紀，橋梁建築發展成為一門科學，科學家們開始
研究桁條和桁架結構理論。桁架是一種以三角形為基礎的結構
形式，長期以來用作屋頂的支撐結構。義大利文藝復興時期的
建築師帕拉弟奧(Andrea Palladio)最早將其用於橋梁設計。18
世紀瑞士的工匠採用桁架結構在沙夫豪森(Schaffhausen)建造
了一座跨越萊茵河的覆蓋橋，兩跨的跨度分別為59和52公尺
(193和171呎)。此後在賴謝瑙(Reichenau)又建造了一座跨度更
大的木桁架橋。美國人伯爾(Theodore Burr)採用拱形結構加強
桁架，設計出跨度更大的木桁架橋，例如賓夕法尼亞蘭開斯特
橫跨薩斯奎哈納(Susquehanna)河的麥考爾‧費里橋(McCall's
Ferry Bridge, 1815)，跨度達110公尺(360呎)，為當時之冠。

　　18世紀後期，鐵材開始廣泛用於橋梁結構中。到1860年，
已建造了許多鐵的拱橋、懸索橋和板梁橋。世界上第一座全部
用鐵建造的橋是1779年在英國什羅浦夏(Shropshire)塞文
(Severn)河上建造的一座跨度30公尺(100呎)的半圓形拱橋。
1851年在美國用鉸接法建成了第一座鐵桁架橋。1867年在德國
的美因河上建造了由懸臂梁和連續橋孔組成的最早的鐵懸臂橋
。由史蒂芬生(Robert Stephenson)和費爾貝恩
(William Fairbairn)設計的橫跨麥奈(Menai)海峽的不列顛尼
亞鐵路橋(1845?1850)，最早採用了箱式梁結構。

　　1879年12月發生了一起早期鐵橋的重大事故，英國伯斯
(Perth)郡一座跨越弗思(Firth)灣的鐵路橋在建成18個月後為
暴風摧毀。當時，對於在橋梁設計中風力的影響幾乎是一無所
知，直到19世紀後半葉，在橋梁設計理論和材料強度方面的知
識才有了長足的進展，並由於在基礎科學和數學方面的發展，
工程師們開始運用圖解法進行結構分析。

　　位於北威爾斯的麥奈懸索橋(1819?1826)採用鍛鐵環鏈索建
造，使用了115年，是近代壽命最長的鏈索吊橋(該橋於1940年
以鋼鏈索改建，今日仍在使用)。法國工程師夏萊
(Joseph Chaley)首先用鋼索代替鏈索。他建造的瑞士弗里堡
(Fribourg)橋(1830?1834)跨度達265公尺(870呎)，為當時世界
第一，該橋主纜索長390公尺(1,280呎)，由2,000根單股鐵絲合
成。多跨懸索橋由多個連續跨距組成。最早的一座是1839年建
造的多爾多涅橋(Dordogne River Bridge)。暴風和反覆間歇的
振動都會給懸索橋帶來嚴重的破壞，1831年，布勞頓
(Broughton)橋因一隊士兵齊步通過時引起共振而坍塌。1855年
，移居美國的德國工程師羅布林(John A. Roebling)在尼加拉
瀑布下面建造了一座懸索橋，跨度達250公尺(821呎)，由於該
橋的四根主纜索不是採用歐洲那種各股鐵絲分別旋絞編結的方
法，而是採用將每股鐵絲同時作適當的旋絞然後合為一束使之
相互纏繞扭結的工藝，每根纜索的直徑達25公分(10吋)，因此
成為第一座不僅能夠抵抗風暴的衝擊，而且經受得起火車車輪
有節奏撞擊引起的振動的懸索橋。由羅布林設計，他的兒子華
盛頓‧羅布林建造的著名的布魯克林橋(1869?1883)，使用了用
鋼絲編結的纜索，其跨度達到486公尺(1,595呎)。

　　19世紀中葉以前防水圍堰一直是修築橋基的唯一方法。185
1年英國肯特郡羅契斯特(Rochester)橋首次採用氣壓沉箱建造
橋墩基礎，用壓縮空氣把沉箱底部開口作業室中的水排出，工
人通過一個氣閘室進入沉箱在作業室進行挖掘作業，使沉箱緩
慢地下沉到堅硬的基岩上，然後用混凝土將沉箱填實作為橋墩
的基礎。

　　19世紀末出現了鋼桁架，使橋的跨度大大增加。第一座鋼
橋是美國密蘇里州聖路易橫跨密西西比河的伊德茲(Eads)橋
(1867~1874)。該橋有三跨鋼拱，跨度分別為153、158和153公
尺(502、520、502呎)。懸臂式建拱法是該橋的一項創新，後被
廣泛地效法。這種方法是從一座橋墩上同時向兩面建造拱肋，
用橋墩頂部臨時木結構上安置的纜繩將拱肋扶住，在兩座橋墩
的中點，將兩個半拱接合起來。

　　19世紀末，工程師們開始把鋼筋混凝土作為一種新型結構
材料，其基本部件是平板。第一座大型的鋼筋混凝土拱橋是沙
泰勒羅橋(Pont de Chatellerault, 1898)，跨度52公尺(172呎
)。馬亞爾(Robert Maillart)設計的一種三鉸拱鋼筋混凝土橋
，橋面和拱肋接合成緊密的整體結構，並恢復了美麗的中世紀
的尖拱，瑞士上萊茵河的塔瓦納薩(Tavanasa)橋是這種橋中的
第一座，跨度51公尺(167呎)。鋼筋混凝土薄板拱也是他的創新
。瑞士施瓦岑貝格(Schwarzenberg)的施瓦布奇(Schwandbach)
橋是其代表作。隨著技術的發展，鋼筋混凝土橋的跨度愈來愈
大，1964年澳大利亞雪梨建成的跨越帕拉馬塔(Parramatta)河
的格拉得斯維爾(Gladesville)橋，跨度達305公尺(1,000呎)。
鋼筋混凝土橋的主要優點是建成後無須經常進行維修和油漆。

　　中世紀已有用平衡重或鉸鏈開啟的橋。19世紀初倫敦建造
了第一座旋開橋。19世紀後半葉出現了大型的以動力開合的仰
開橋和直升橋。美國密西根州的蘇聖瑪麗橋
(Sault Sainte Marie Bridge, 1941)開啟跨度達102公尺(336
呎)。輪開橋不需要平衡配重，開啟時，橋面沿軌道收進。直升
橋的橋跨保持水平，依靠有配重平衡的鋼索來提升，如連接紐
約市斯塔頓(Staten)島和新澤西州的阿瑟‧基爾橋
(Arthur Kill Bridge)，即有一個170公尺(558呎)的直升橋跨
。目前最長的旋開橋是蘇伊士運河上的費丹(al-Firdan)橋，該
橋由一對以兩岸的橋墩為樞軸的旋開跨組成，兩座轉台之間的
距離為168公尺(552呎)。

　　設計一座橋不僅要考慮承受本身的重量和交通運輸的重量
，還要考慮風力、溫度、地震等自然因素的影響。設計時要進
行風洞試驗，模擬地震衝擊和機車擺動的橫向力試驗等。因為
各種材料均有一定的強度-重量比，所以每一種類型的橋都有一
個最大跨度。超過這個限度，橋梁在承受自重之外將缺乏足夠
的強度承受交通運輸的重量。

　　目前採用的新型高強度鋼材已使懸臂橋的最大跨度接近760
公尺(2,500呎)，拱橋900公尺(3,000呎)。由於鋼絲纜索的強度
-重量比要比結構鋼高得多，所以懸索橋的跨度要大得多。如在
紐約灣入口處的韋拉札諾海峽橋(Verrazano-Narrows Bridge)
跨度為1,298公尺(4,260呎)。

資料來源:http://wordpedia.eb.com/tbol/article?i=010767002

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