港珠澳大桥即将通车！带你看力学与材料学推动下的桥梁技术大创新

[原创文章：www.11jj.com]

撰文/韩松（北京交通大学）

本文节选自《知识就是力量》杂志

全长55公里，集桥、岛、隧于一体

世界最长的跨海大桥……

港珠澳大桥

将于10月24日上午9时正式通车

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届时，珠海、香港、澳门三地口岸

实现24小时通车、通关

原来4个小时的陆路车程

将缩短为30分钟！

香港、澳门、珠海将形成

“一小时都市圈”！

港珠澳大桥被英国卫报誉为“新世界七大奇迹”，已经成为“中国智造”的新名片。它的落成通车，标志着中国现代桥梁建造技术再次站到了新高度，中国由桥梁大国迈向了桥梁强国！

我们在惊叹这座跨海巨龙的雄伟气魄和国人强大的创造力的同时，一起来看看在力学与材料学推动下的桥梁发展史吧！

从发展历史来看，桥梁可以分为古代、近代和现代桥梁三类。随着人们对工程技术的不断钻研，桥梁从材料选取到结构设计、从建设施工到通行能力，都有了质的飞跃。

从历史上看，木材和石材在数千年间都是人类建造桥梁的主要材料。但两种材料却都有先天的不足，可以说，材料的发展严重制约了古代桥梁技术的进步。另一方面，力学基础理论的缺乏也制约着桥梁的设计和建设。

当时，几乎所有桥梁的设计都来自生活经验（如拱桥和梁桥），并采用最简单的搭接和架设方式，无法形成大的跨径，也难以设计合理的拱形。

尽管如此，古代桥梁结构的工程探索依然出现了技术进步的萌芽。比如，罗马时代出现了桥梁基础的围堰施工方法，即打木板桩成围堰，抽水后在其中修筑桥梁基础和桥墩；中国在11世纪初修建的洛阳桥，建设过程初期首先在桥址江中遍抛石块，其上养殖牡蛎两三年后胶固形成筏形基础，这体现了中国古代劳动人民的智慧。

中国古桥——赵州桥

总的来说，在18世纪以前的桥梁，材料基本以木材和石材为主，严重制约着桥梁技术的进步。工程技术和设计理论尚处于萌芽阶段。

随着18世纪前后钢铁和水泥的出现，材料的发展和工程技术的进步为桥梁技术注入了新的活力，，这一时期的桥梁我们称为近代桥梁。

世界上第一座铸铁桥是英国科尔布鲁克代尔厂于1779年所造的塞文河桥，该桥为半圆拱，由五片拱肋组成，跨径30.7米。

第一座近代铁桥——塞文河桥

桥梁设计中的力学原理除了以承载力为代表的静力作用之外，动力作用相关的力学原理也逐渐成为研究人员关注的重要内容。尤其是桥梁抗风设计的研发颇受重视，如尼亚加拉瀑布公路铁路两用桥采用了锻铁索和加劲梁；纽约布鲁克林吊桥采用了加劲桁架来减弱震动；旧金山金门桥和奥克兰海湾桥也都是采用加劲梁的吊桥。

旧金山金门桥是采用加劲梁的吊桥

另一方面，材料基础理论的进步也积极推动着桥梁工程进入新时代。比如，钢筋混凝土桥梁的出现。钢筋混凝土是将钢筋埋入混凝土中受拉区的部分，让两者协同工作共同受力。受力过程中钢筋抵抗拉力，混凝土抵抗压力，协同工作，使得结构的承载能力大幅提高。因此，1900年之后的二三十年间，出现了大量的钢筋混凝土拱桥和梁桥。

随着预应力混凝土和高强度钢材在20世纪30年代登上历史舞台，桥梁结构从近代桥梁发展到现代桥梁。

随着工程对桥梁跨径要求的不断提高，斜拉桥和悬索桥逐渐成为长大桥梁的主要形式。斜拉桥和悬索桥都是使用预应力钢丝索作为悬索，并同加劲梁构成自锚式体系，通过钢索将桥梁的力传递到主塔来承重；不同的是，斜拉桥是通过斜拉索直接将桥面的力传递至桥塔，而悬索桥是通过拉索垂直传递到主索，再由主索将力传递至桥塔。斜拉桥和悬索桥的设计形式为桥梁结构提供了更大的跨越长度。

港珠澳大桥主跨为双塔式斜拉结构

中国现有的著名长大桥梁也多为斜拉桥或悬索桥。如青岛海湾大桥，港珠澳大桥以及正在建设中的沪通大桥。

正在建设中的沪通大桥

力学和材料学方面研究工作的新进展不断给桥梁技术注入新鲜血液，大量新工艺、新材料、新设备被运用到桥梁工程建设中，推动桥梁工程的基础理论、结构设计和工程建设水平不断进步。