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”。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,或是经过长期侵蚀形成更为宽阔的峡谷。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。而在海岸线,群岛破碎、海湾广阔,太多的天堑阻挡着人们的交通、交流,甚至出路。人们究竟该如何才能跨越这一切?
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”。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。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。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。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。
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。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。
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。
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,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,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。
但是,不要“以貌取桥”。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”。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。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。
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。
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”。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。
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”,或是采用全新的桥墩形态。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。
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”。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。
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。
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。“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。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。
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“全其美”的钢管混凝土拱桥一时间成了拱桥圈的宠儿。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”。如今这种桥型跨度已突破400米。
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,并以其柔美的造型装点着一个又一个城市的风景。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”。而接下来登场的角色即将帮助中国人突破1000米跨度大关。
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”。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。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”。
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,与南浦大桥堪称一时双璧。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。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。
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。索塔的配置也十分讲究,有时如“一夫当关”,有时双塔并立,有时多塔并举,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。
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。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,这种轴力逐渐累积,直到梁体不堪重负。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。
而要向2000米跨度发起冲击,只能指望最后一位选手了。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。略为“先进”的,则成为索桥或吊桥。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。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。
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。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。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,因此无论跨度多长,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。
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。
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”。