大桥的秘密：全景揭示桥梁原理、建造技术和中国造桥成就
这是一座960万平方千米的“桥梁博物馆”！
文|桢公子
中国跨度
谨以此文
向中国所有桥梁工作者致敬
一张中国地形图置于眼前
鲜明的海拔差异跃然纸上
从西部高耸的高原山地
到东部广袤的丘陵平原
科学家们将其划分为“三级阶梯”
▼中国地形的三级阶梯，制图@张靖/星球研究所
发源自高原的河流
顺势逐级而下
在上游“劈开”山体
形成崖壁陡峭的嶂谷
▼马岭河峡谷，摄影师@笑飞雪
或是经过长期侵蚀
形成更为宽阔的峡谷
▼澜沧江大峡谷，摄影师@李珩
到了下游
河流在平原上肆意冲刷
宽广的河道将陆地彻底分隔
▼杭州三江口，从左至右依次是浦阳江、富春江和钱塘江，摄影师@潘劲草（请横屏食用）
而在海岸线
群岛破碎、海湾广阔
▼浙江舟山衢山岛，摄影师@王会超
太多的天堑
阻挡着人们的交通、交流
甚至出路
▼被高山围困的村庄，摄影师@李一鸣
人们究竟该如何
才能跨越这一切？
I
架梁为桥
当先民创造独木桥时
最早的桥便出现了
两墩架一梁
成为了人类桥梁史上最简洁、最经典的造型
是为“梁桥”
▼敲黑板：梁桥和跨度，制图@张靖/星球研究所
在木石架桥的时代
梁桥在我国粤闽地区盛极一时
这里盛产坚硬的花岗岩
是打造石梁桥的绝佳材料
▼福建泉州洛阳桥，我国现存最早的跨海石梁桥，建于北宋；其用养殖牡蛎固定基座的方法可称创举，摄影师@雾雨川
随着现代炼钢法的成熟
崭新的桥梁时代来临
1874年的美国
世界第一座以钢为主体的桥梁落成
而中国首座具有近代水平的钢桥问世
则是10多年以后的事儿了
然而对于当时的中国而言
钢桥是如此先进、如此昂贵
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
日本便攻陷上海
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
▼于1953年恢复通车的钱塘江大桥，摄影师@朱露翔
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
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
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
▼制图@张靖/星球研究所
我国最早跨越长江的桥梁
武汉、重庆白沙沱和南京长江大桥
均以连续梁结构建设
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”
▼1968年，南京长江大桥落成，是长江上第一座由我国自行设计建造的桥梁，摄影师@艾小龙
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
▼制图@张靖/星球研究所
相比昂贵的钢铁
钢筋混凝土显然要便宜多了
于是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，摄影师@石耀臣
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
▼横跨青海沱沱河的两款梁桥，远处是青藏铁路长江源特大桥，由42跨组成，每跨32米；近处的是沱沱河公路桥。摄影师@姜曦
跨越海湾
▼山东青岛海湾大桥的一部分，中国首座“海上立交”，连续梁结构。摄影师@添小天
甚至彻底取代路面
▼金丽温高速，以桥代路的总里程超过70千米。摄影师@陈益科
II
似梁非梁
但是，不要“以貌取桥”哦
有一种极为低调的桥
从外表上看
会被绝大多数人认为是梁桥
但实际上却具有截然不同的力学特征
需要更复杂的设计和计算
这就是“刚构桥”
（没听过就对了，不然怎么叫低调）
▼敲黑板：刚构桥墩梁一体，无缝衔接。制图@张靖/星球研究所
由于桥墩和梁成为一个整体
它们终于可以“同甘共苦”
共同抵抗梁体的弯曲
▼制图@张靖/星球研究所
这就意味着
在桥墩的协助下
横梁变得更加“坚强”
可以承受更大的跨度
或是选择更轻薄的桥面
▼身形苗条的腊八斤沟特大桥在沟谷中穿行而过，其最高墩182.5米，在贵州赫章特大桥落成前曾是“亚洲第一高墩”。摄影师@姜曦
尤其是连续刚构桥
这种90年代才在国内推广的新桥型
兼顾跨度需求和行车体验
数年间便风靡大江南北
▼贵州省六广河大桥，连续刚构结构，主跨240米。摄影师@李琦
但美中不足的是
这种桥对热胀冷缩十分敏感
如果桥墩过于“倔强”
梁体则无法放飞自我
最终导致变形或弯曲
但这难不倒机智的工程师们
他们为刚构桥设计了更高的桥墩
让其变得“柔软灵活”
▼制图@张靖/星球研究所
特别在高山峡谷地带
这种高桥墩再合适不过了
于是众多高大巍峨的桥梁拔地而起
其桥墩从桥面直入谷底
通行其上仿佛腾云驾雾
▼湖北省境内沪渝高速，连绵的刚构桥穿越高山峡谷，直通远方的四渡河大桥。摄影师@文林
不过
世事福兮祸兮、是也非也
从来没有绝对的标准
在平原大江大河之上
高耸入云的桥墩已无用武之地
为了降低桥梁高度同时保证桥墩柔性
则需要为墩柱进行“瘦身”
▼浙江省温州瓯越大桥，主跨采用扁平的薄壁墩。摄影师@倪前辉
或是采用全新的桥墩形态
▼浙江省千岛湖大桥，是一座V型桥墩的斜腿刚构桥。摄影师@姚朝辉
然而
桥墩要薄、桥梁要稳、成本还要低
三者互相制约
让跨度超过300米的刚构桥屈指可数
尽管如此
2006年建成的重庆石板坡大桥复线桥
单跨已达到330米
为长江江面预留了充分的航行空间
一举成为世界上跨度最大的连续刚构桥
▼重庆石板坡大桥复线桥。摄影师@鬼迹（请横屏食用）
而它身旁
就是我国第一座跨越长江的公路大桥
重庆长江大桥（石板坡长江大桥）
尽管当年“全民建桥”的盛大场景已成往事
但新老两桥并驾齐驱
让人们透过近40年的岁月
还能看到些许时代变迁的痕迹
▼左侧为老桥，右侧为新桥。摄影师@重庆火锅823
III
长虹卧波
至此
从峡谷到平原
从江河到海峡
似乎都已被中国人跨越
但实际上还远远不够
面对陡峭的崖壁、湍急的水流
或是桥下交通的需要
竖直的桥墩已然无处安放
人们需要一种一跨而过的桥型
比如“拱桥”
▼一跨而过的金沙江特大桥，左侧是四川，右侧是云南，摄影师@柴峻峰
对于中国人来说
拱桥再熟悉不过了
被写进小学课本的赵州桥
建于1400余年前
纵然几度经历洪涝、地震
其主体结构却依然完好
堪称世界桥梁艺术的典范
▼赵州桥，跨度约37米，摄影师@石耀臣
而拱桥的形象更是深入人心
不仅是古镇园林里的标准印记
也成为诗词歌赋中的经典意象
▼引自杜牧《阿房宫赋》
长桥卧波，未云何龙；复道行空，不霁何虹。
时至今日
我国超过一半的公路桥梁都是拱桥
其中仍保留着最传统的石拱桥
▼山西祥云湖坝上的石拱桥。摄影师@寒冰
“拱”结构的张力
要求两端底座不仅要向上托起桥身
还必须提供横向的推力
也正是这样的推力
牢牢抵抗住“拱”的变形
从而提高了拱桥的跨越能力
▼敲黑板：拱桥的三种类型。制图@张靖/星球研究所（左右滑动观看）
这是拱桥独特的优势
也是拱桥面临的挑战
若遇上脆弱的岩石、松软的地基
两端支座便无法获得如此有力的支撑
此时只能尽量减轻桥梁自重
利用更加“骨感”的外形
保持支座的稳定
例如由我国首创的桁(héng)架拱
纤细的混凝土骨架让桥身更加轻盈
最大跨度可达到330米
▼贵州省江界河大桥，为混凝土桁架拱桥跨度的世界之最。摄影师@李贵云
或是在拱、梁交点间固定一“系杆”
以其拉力代替支座的推力
是为“系杆拱”
▼制图@张靖/星球研究所
▼武汉晴川桥，汉江两岸地基较为松软，适宜使用系杆拱。摄影师@潘锐之
随着普通混凝土拱桥达到跨度极限
又一种新桥型再次后来居上
工程师们将混凝土填充在钢管中
令其获得一层“保护壳”
因而比普通混凝土更加坚固牢靠
同时钢管亦可作为施工骨架
大大降低了拱桥的修建难度
于是这种“N全其美”的钢管混凝土拱桥
一时间成了拱桥圈的宠儿
▼柳州文惠桥，广西的第一座中承式钢管混凝土拱桥；其实之前出现的晴川桥也是钢管混凝土拱桥。摄影师@梁炳全
更有甚者
以填充完毕的钢管为骨架
于外层再次包裹混凝土
则演变为一种“硬骨头拱桥”
即劲性骨架混凝土拱桥
如今这种桥型跨度已突破400米
▼沪昆高铁北盘江特大桥，位于贵州北盘江峡谷深处，跨度445米。摄影师@王璐
自1993年起
我国粗钢产量跃居世界首位
桥梁建设逐渐走出了“舍不得用钢”的时代
钢拱桥也随之崛起
创造了一个又一个工程奇迹
▼南京大胜关长江大桥，6条轨道可同时通过京沪高铁、沪蓉快车和南京地铁。摄影师@艾小龙
并以其柔美的造型
装点着一个又一个城市的风景
▼广州新光大桥。摄影师@RUIZ
▼上海卢浦大桥，黄浦江第一座拱桥。摄影师@张扬的小强
如今
拱桥的单跨跨度已达到552米
甚至超过了一个躺倒的“中国尊”
▼重庆朝天门长江大桥，钢桁架拱桥，世界拱桥跨度之最。摄影师@鬼迹
而接下来登场的角色
即将帮助中国人突破1000米跨度大关
IV
钢铁琴弦
早在30年前
上海浦东还没有林立的高楼
市区黄浦江两岸相隔近400米
摆渡仍是来往通行的唯一途径
一座跨江大桥成为大势所趋
然而在当时的中国
还从未有桥梁达到如此跨度
即便难度可想而知
同济大学的李国豪校长和项海帆教授
依然力主自行建造这座“黄浦江第一桥”
在项教授给市长的信中写道
▼引自项海帆教授给的信件
上海是我国的东大门，黄浦江大桥应成为上海市的标志传名于世。建造黄浦江大桥不但是1000万上海人民的宿愿，也是上海桥梁工程界的梦想，在学校我们也一直以此激励桥梁专业的学生们。
1991年
以不到原方案一半的造价
上海南浦大桥正式落成通车
开启了我国自主建设超大跨度桥梁的先河
▼南浦大桥，上海市区的“黄浦江第一桥”，跨度423米。摄影师@一乙
这座大桥两端
伫立着两座约50层楼高的高塔
两塔与桥面间以180根钢索相连
如同一根根倾斜的钢铁琴弦
是为“斜拉桥”
▼斜拉索示意。摄影师@王栋
大桥建成后两年
原班人马再次操刀
杨浦大桥横空出世
其跨度超越600米
一跃成为当时世界斜拉桥之最
和南浦大桥堪称一时双璧
▼杨浦大桥，跨度602米。摄影师@吕威
但对于斜拉桥来说
这样的跨度仅仅是“小试牛刀”
根根拉索向上提拉
竭力阻止梁体向下弯曲
如同有了一个个“隐形桥墩”
极大地提高了桥梁的跨度潜力
▼敲黑板：斜拉桥的拉索可以抵抗横梁弯曲。制图@张靖/星球研究所
加之工程材料和计算方法的革新
现代斜拉桥从诞生起
仅用了50余年时间
便完成了1000米的跨越
▼香港昂船洲大桥，原计划是第一座突破千米跨度的斜拉桥，后被江苏省苏通大桥超越。图片来源@图虫创意
但超大的跨度带来了巨大的自重
还有来往的车辆行人、猛烈的横风
这些荷载多由拉索向索塔传递
因此对于斜拉桥
索塔至关重要
它必须格外稳定、格外坚固
▼制图@张靖/星球研究所
不仅如此
索塔的配置也十分讲究
有时如“一夫当关”
▼山西省仙神河大桥，是一座独墩矮塔斜拉桥，摄影师@邓国晖
有时双塔并立
▼海南省世纪大桥，双塔呈钻石形，摄影师@刘雅彬
有时多塔并举
▼武汉二七长江大桥，是一座三塔双索面斜拉桥，摄影师@陶进
其千姿百态的造型
极尽彰显着大桥的艺术气质
堪称工程和艺术的完美融合
▼南京眼，两座拱形门斜塔十分独特，是我国第一座获得阿瑟·海登奖的创新桥梁。摄影师@何小清
更重要的是
与生俱来的对称形态
让斜拉桥更容易实现“自锚”
这在“无地可锚”的环境下得天独厚
逐渐成为众多海湾大桥的符号
▼自锚是指拉索不需额外锚碇，直接锚固在自身横梁上；下图为港珠澳大桥中的两座斜拉桥。摄影师@黄昆震
然而
即便拉索能提起横梁
却也因其角度倾斜
沿着横梁方向产生水平的“轴力”
随着跨度延伸，拉索势必增加
于是这种轴力逐渐累积
直到梁体不堪重负
▼敲黑板：挤压横梁的轴力，制图@张靖/星球研究所
雪上加霜的是
当拉索越来越长、越来越倾斜
巨大的自重令其弯曲下垂
再难以紧紧拉住庞大的横梁
加之横风、成本等影响
斜拉桥将逐渐达到跨度极限
可谓是“成也斜拉索，败也斜拉索”
▼江苏省苏通长江大桥，跨度1088米，是我国已建成斜拉桥的跨度之最。图片来源@VCG
而要向2000米跨度发起冲击
只能指望最后一位选手了
V
跨度王者
在我国西南
地势险峻、水流汹涌
现代桥梁出现以前
人们只能依靠原始而简易的方式出行
最“简陋”时，只有一根孤独的溜索
▼金沙江上空260米，一条运行了近20年的溜索，位于云南省巧家县鹦哥村，摄影师@柴峻峰
略为“先进”的，则成为索桥或吊桥
▼新疆叶尔羌河上，一座简单的索桥，摄影师@小强先森
但它们的建造者、使用者
一定都想象不到
这种桥会在今天达到1650米的跨度
成为桥梁界的王者
▼西堠门大桥，浙江舟山连岛工程的一部分，跨度1650米，是我国已建成跨度最大的桥。摄影师@邬涛
这就是现代悬索桥
高耸的桥塔、弯曲的主缆、坚实的锚碇
组成了它最基本的承重体系
也是它最鲜明的外形特征
▼制图@张靖/星球研究所
和古老的索桥不同
现代悬索桥拥有格外坚韧的主缆
以位于贵州的坝陵河大桥为例
主缆以直径5.25毫米的高强钢丝为基本材料
91根为一束
208束为一缆
双缆并行
足以承载近万吨的钢梁
▼坝陵河大桥，摄影师@李贵云
相比巨大的横梁
桥上往来的车马行人则显得微不足道
于是桥面不再因外力上下波动
柔软难行的索桥已然成为历史
即便横梁跨度较小、自重较轻
桥面来往通行的载重不能被忽略时
工程师们依然可以通过加设“加劲梁”
避免横梁上下弯曲
▼加劲梁有多种，下图仅为其中一种的简单示意，制图@张靖/星球研究所
尽管悬索桥和斜拉桥都是“索”桥
但悬索桥的吊索垂直于桥面
因而无论跨度多长
都不会产生轴向力挤压横梁
根据学者们的推算
悬索桥的跨度至少能达到5000米
实在令人咋舌
▼相较于拱桥，悬索桥的跨度增长十分明显。摄影师@柴峻峰
这也是为何众多难以逾越的天险
都被悬索桥一一征服
不论是大江大河上
▼武汉鹦鹉洲长江大桥，三塔四跨横贯长江。摄影师@田春雨
高山峡谷中
▼湖北四渡河大桥，跨越恩施武陵山脉V型谷，桥面高度560米，在云南尼珠河大桥落成前，为世界第一高桥。摄影师@在远方的阿伦
还是海峡两岸间
▼香港青马大桥，以1377米跨度穿越海峡，是连接香港机场和市区的主要通道。摄影师@Kenny
回顾中国桥梁的历史
我们曾遥遥领先于世界
却也曾远远落后于他人
虽然充满了坎坷和波折
但科学家和工程师们却从未停下脚步
在重重困难下
他们不断突破各种限制条件
包括跨度、载重、水深、基础、桥墩、地理、地质…
即便在一穷二白的困难年代
也能创造出新的技术
实现一次又一次的跨越
▼深圳北外环正在施工的公路桥。摄影师@黄猛
也正因如此
今天的中国大地上
仅公路桥梁就已超过80万座
高铁桥梁总长达1万余千米
它们跨越高山大川、连通城镇村庄
共同构成了一座
960万平方千米的“桥梁博物馆”
▼梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥以及刚构结构同框出镜，拍摄于武汉。摄影师@陶进（请横屏食用）
P.S. 本文主要参考文献包括：万明坤等《桥梁漫笔》，项海帆等《中国桥梁史纲》，项海帆等《中国桥梁概念设计》，茅以升《桥梁史话》等总监制：王磊
监制：夏宇
责编：戴丽丽李逸博
编务：黄俊峰
本文转载自“星球研究所”，原文发于2018年11月27日，原标题为《桥桥桥桥桥桥桥桥桥》，不代表瞭望智库观点。
（本文原标题：《桥桥桥桥桥桥桥桥桥》）
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