桥梁的进化

桥梁是人类自然和社会活动的成果，随着社会和自然的演化，桥梁也在同步经历着演化的过程。通过演化过程保存下来的桥梁和技术，在某一方面的适应性有所增强，见表1。作为人工构造物，桥梁的演化不仅仅是自然的，也是社会的。桥梁演化表现出自然个性和社会个性两个侧面，这两个方面互相约束、互相促进，构成了桥梁演化的全部进程。

回顾桥梁的历史，这些演化过程处处都留下了不可忽视的痕迹。回顾这些历史的印迹，理清进化的脉络，对桥梁选型和决策有着指导意义，对桥梁改进和发展也有着引导作用。现就表1中的1、2、4、6、7、9几个实例罗列如下。

1859年奥地利Langer提出自锚式悬索桥设想；1867年美国Bender获得专利；1870年奥地利Langer在波兰建成第一座自锚悬索桥。20世纪上半叶在欧美曾一度流行，此后沉寂了半个世纪，近来又有所建树（表2、图2）。特别是在经历了斜拉桥风潮之后的中国，为追求桥梁多样化，在重新拾起被遗忘的悬索斜拉桥遇阻之后（图1），又进入了一个回归自锚悬索桥小高潮，至今未息。比较知名的有杭州江东大桥、广州猎德大桥、佛山平胜大桥、福州鼓山和逻洲桥、广州珠江桥和406米跨径的桃花峪大桥等。

水中需要架设临时墩安装主梁，一直到悬索和吊索安装结束，才能拆除。对于深槽河流临时工程量偏大，对于通航和有漂流物河流存在船舶和漂浮物撞击的隐患。

主缆由悬链线过渡到抛物线，主梁由无轴力梁过渡到有轴力梁，临时墩卸载回弹改变了安装状态主梁内力累积效应。

自1956年建造了第一座斜拉桥以来，在莱茵河上连续建造了十余座斜拉桥，没有再建自锚式悬索桥。按照进化自然法则，自锚悬索桥实际上已经逐渐自动退出了桥梁的历史舞台。后来在各处修建自锚式悬索桥仅仅是出于变换桥型，由此带来的施工风险和养护上的经济补偿也是不可忽视的。例如，美国旧金山新奥克兰海湾大桥在方案比较中，已经认识到斜拉桥的优点和自锚悬索桥的缺点（表3），但是仍然选择了造价高、设计施工复杂的自锚悬索桥。

有人采用了改良方法，把自锚悬索桥强大的锚头分散在边跨的主梁上，并且用斜拉索替代主缆。跨径164.5米，混凝土塔高44.5米，钢桥面宽23米的西班牙Vinalopó 桥（图3），常州龙城桥和梧州市西江四桥方案之一（图4）就是这种改良方案，但是主跨采用临时墩的施工风险依然存在。

因此，作为人工构造物，桥梁的演化不仅仅是自然的，也是社会的，往往被社会流行思潮所左右。在演化过程中，甚至伴随着再发现、再扬弃的过程。

T形刚构桥是外部静定体系，完全可以用手工画出完整的影响线，任何一个T形单元的损坏和修复， 都可以做到不波及其他T形单元的效果。

为改善T形刚构桥的悬臂连续性，将悬臂端用现浇混凝土连续起来，并施加连续预应力。在施工状态是静定的，在施加连续预应力后是连续的超静定结构，称之为连续刚构。连续刚构在后期和在作用下，变形（位移、转角）是连续的，总体刚度比T形刚构大，行车舒适性得以改善。T形刚构桥进化为连续刚构桥，这是T形刚构桥的第一次进化。

连续刚构桥的弱点在于主梁的温度伸缩完全被桥墩制约，不得不用纤细的桥墩（图5），而低矮的桥墩和多跨连续就不能满足主梁的温度伸缩，在累积位移过大的边跨桥墩需要附加支座，成为连续刚构——连续梁组合体系（图6），这是T形刚构桥的第二次进化。

至此，连续刚构桥进化完备，跨径不大于250米的预应力混凝土公路桥梁中，高墩、低墩，多跨、少跨都能安全适应。由于综合的技术原因，一般不推荐大于200米的跨径。

因此，作为人工构造物，桥梁必将随着社会需要的大流而演化，没有任何理由停滞不前。

早期斜拉桥多为稀索（图7），例如1962年Morandi设计的第一座混凝土梁斜拉桥Maracabo 桥，只有一对斜拉索，相对来说结构赘余自由度较低，计算比较容易。其缺点是需要强大的抗弯主梁承受车辆荷载，主梁架设也比较困难，往往需要大吨位浮吊。

在数字计算机诞生之前，手工计算方法只能计算单一的连续体结构，例如拱、梁、板壳(表4)；复合结构，例如桁架、刚架就比较繁琐；悬索桥往往比拟成连续体来计算。对于密索斜拉桥，不是单一的连续体，比拟成连续体比较困难，不可能用手工计算。早期的斜拉桥一般只有3～5对索，索数和跨径限制在手工可算的难度范围以内。

20世纪初叶，有限单元法伴随着数字计算机出现，并得到迅速的发展。自从数字计算机广为民用以后，高自由度的非连续结构——大跨密索斜拉桥也能够很容易地进行数值分析。用有限单元法理论建立的数百乃至数万阶的线性方程组，都可以方便地在微机上解出。密索斜拉桥替代了稀索斜拉桥，可以认为这是一次典型的由外因——计算手段（理论和工具）飞跃，导致的桥梁结构形式进化。直到1972年Finsterwald设计Hochest第二Mein河桥，实现了密索斜拉桥，索距6.3米（图8）。

大跨密索斜拉桥索距一般6～12米，可以采用悬臂法浇筑（或安装），大大简化了施工。此外， 由于索距很小，主梁的截面抵抗弯曲的功能大部分转化给斜拉索，主梁截面积和形状与桥梁跨度的相关性减弱，工程量显著减小。图7的稀索斜拉桥混凝土梁高达5米，大跨密索斜拉桥混凝土梁高一般小于2.5米，钢箱梁高度3米左右（见表5）。

在欧洲曾经出现过摆渡(或运渡)桥(TransporterBridge)，在通航繁忙的河道或港口为了满足通航净空的要求，需要建造很高的桥梁。过长的引桥造价昂贵，另外，在建筑物密集的港口几乎没有建桥的空间，建造摆渡桥可以满足尚未形成“交通流”的间歇型过河交通。从1893年至今，共出现有20余座摆渡桥。图9是1893年建成的第一座摆渡桥，该桥是西班牙横跨Nervión河的Bilbao桥，沿用至今。摆渡缆车中间停放汽车，两侧是客舱，比汽车轮渡安全，也有的摆渡桥在遇到大风时停运。

摆渡桥高潮过去以后才出现自锚悬索桥，这种间歇式桥梁不能满足现代连续交通流的需求。到20 世纪20年代被自然淘汰以后就很少修建，再没有像自锚悬索桥那样被重新发现的机会（图10）。

摆渡桥的桥型几乎涵盖了现代大跨桥梁的大部分形式，见图11-图18。这些摆渡桥的桥型都被现代桥梁吸收采用并创造,演化出五花八门的新桥型。

既有摆渡桥，有的改建为提升式开启桥（图19）；有的拆除，约有10座还在使用。随着交通量的增长，摆渡桥终于被带有长引桥的高通航净空桥梁所替代(图20)。

双曲拱桥（图21）是另一个实例。中国在60到70年代由于高强建筑材料的匮乏，双曲拱桥应运而生。在中国除了大江大河，无处不是双曲拱桥梁，成为世界和中国桥梁史上一枝奇葩。70至80年代交替之际， 中国钢材工业开始突飞猛进。建筑用钢也经历了上世纪80年代以前的限制用钢、80至90年代的合理用钢、90年代以后鼓励用钢三大步。用钢量少、施工繁琐、整体性差的双曲拱桥逐渐退出了桥梁舞台。

由此可见，桥梁的进化是随着生产力的发展和生活节奏的变化而兴衰，非人力所能抗拒。

施工支架是桥梁上部结构施工的重要危险源和环境扰动、污染源，无支架施工是理想境界。顶推、移动架桥机和移动模架，摆脱了落地支架，但是跨度有限，很难超过50米。1953年德国工程师芬斯特瓦尔德，发明了预应力混凝土刚构桥的（平衡）悬臂工法。在莱茵河上拆去Worms的一座老桥，建一座连续刚构新桥时，采用了（平衡）悬臂工法（图22，2008年在此桥侧又建了一座连续梁桥）。从此以后（平衡）悬臂工法广为使用， 百米跨径几乎都是采用（平衡）悬臂工法。为梁式桥的修建立下了汗马功劳，是二战以后至今，桥梁上部结构最重要、最杰出的工法。

从打井技术引进的钻孔灌注桩彻底改变了桩基础的面貌，19世纪末(约1893年)人工挖孔桩开始用在需要大承载能力的高层建筑基础，1940年代初期伴随着美国经济崛起出现了大功率钻机。二战以后欧洲经济复苏期，大量采用钻孔灌注桩。中国跟上世界的脚步在19世纪60年代初，由河南省率先完成了利用人工打井火箭锥配合导管灌注水下混凝土技术的实践，演化出来中国钻孔灌注桩工法。致使桩径数米、入土百米的深基础也逐渐成为寻常事，甚至能够穿过各种粒径的覆盖土层，嵌入岩层，这是打入桩所不可及的。

这一次桩基础工法的演化为桥梁的进展奠定了坚实的基础，在转战数十公里，甚至数百公里的长线工程中，施工企业只要一种基础施工设备就能适应各种土层、陆地和深水的施工。此后，除了匀质细粒土的小直径中短摩擦桩，桥梁桩基础很少采用打入桩。近年来，专业打桩企业开始承包合适环境下的桥梁桩基础工程，但其局限性是不言而喻的。

桥梁发展的进程从桥型上看，经历了T形刚构到连续刚构梁、自锚吊桥到斜拉桥、稀索斜拉桥到密索斜拉桥的进化过程；大跨度桥梁也经历了从简支梁到连续梁、刚性构件桥梁到柔索桥梁、实体桥梁到挖空（桁式）桥梁、静定桥梁到高次超静定桥梁的进化过程。这其中有各方面的原因，如新建筑材料的出现，还有新施工工艺的创新，桥梁设计计算方法的突破，当然也有行车舒适性、耐久性和实用性多方面的原因。其中既有自然的原因也有社会的原因，二者互相交叉、互相促进，这就是人工构造物演化的基本特征。突变是桥梁演化中创新的表现，这在自然演化中也偶有发现。而由于社会的因素导致演化的反复，这是自然演化中所少见的。