秦順全，中國工程院院士，中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司董事長，橋梁工程專家。他長期致力于大型橋梁的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)研究與管理工作，先后參與建設(shè)了武漢天興洲公鐵兩用長江大橋、京滬高速鐵路南京大勝關(guān)長江大橋、港珠澳大橋、常泰長江大橋等多座著名大型橋梁。秦順全不斷進(jìn)行科技創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了大跨度橋梁和跨海大橋的諸多技術(shù)突破；擁有多項(xiàng)國際領(lǐng)先、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，多次榮獲國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)。
世界第一高橋、世界第一長橋、世界最大跨度公鐵兩用斜拉橋、世界最長跨海大橋，一個(gè)個(gè)“世界第一”不斷刷新著世界橋梁建設(shè)紀(jì)錄，“中國橋梁”成為又一張閃亮的國家名片。2018年，連接香港、珠海、澳門，全長55公里，世界上最大長度的跨海大橋——港珠澳大橋建成通車，這是世界橋梁史上的一個(gè)壯舉。實(shí)際上這樣的奇跡每天都在中國發(fā)生，要了解這一奇跡背后的故事，讓我們一起走近中國橋梁。
四種最基本的橋型
橋梁是一種跨越障礙的承重結(jié)構(gòu)，它是由若干構(gòu)件組成的。對(duì)于構(gòu)件來講，它的受力形態(tài)只有三種：受拉、受壓和受彎。從總體上來講，橋梁構(gòu)件的受拉能力是最強(qiáng)的，受壓能力次之，受彎能力是最弱的。整個(gè)構(gòu)件的三種受力形態(tài)就會(huì)組合成四種最基本的橋型：懸索橋、斜拉橋、拱橋和梁橋。所謂懸索橋，就是通過懸掛于索塔、錨固于兩岸的一根主索，作為主要的承載結(jié)構(gòu)的一種橋梁。主索是受拉的，它的承載能力最高，在所有橋型里懸索橋的跨越能力是最大的。斜拉橋就是用高強(qiáng)度的拉索，將主梁斜向拉于主塔之上的一種橋梁。斜拉橋中，拉索是受拉的，所以它的承載力比較強(qiáng)，但是主梁主要是受壓的，這種拉和壓的組合，就決定了斜拉橋的跨越能力，是小于懸索橋的，但是強(qiáng)于拱橋或梁橋。所以大家會(huì)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代大多數(shù)的大跨度橋梁都是采用懸索橋和斜拉橋。
拱橋就是通過一種弧形的結(jié)構(gòu)，將豎向的荷載轉(zhuǎn)化為拱軸線的一種受壓。由于拱軸線是受壓的，它存在側(cè)向穩(wěn)定問題，所以材料強(qiáng)度不能夠充分發(fā)揮，它的跨越能力小于斜拉橋，更小于懸索橋。我們古代勞動(dòng)人民建成了很多石拱橋，包括河北的趙州橋、蘇州的寶帶橋、北京的盧溝橋和頤和園的玉帶橋。
梁橋以樹干和石板作為承重結(jié)構(gòu)，是最古老的橋型。它是以構(gòu)件的受彎作為主要的特征，由于構(gòu)件的受彎能力是最弱的，它的跨越能力是最小的。但是梁橋構(gòu)造非常簡單，施工也很方便，當(dāng)我們對(duì)跨越能力要求不高的時(shí)候一定會(huì)選擇梁橋，因?yàn)樗罱?jīng)濟(jì)。世界上絕大多數(shù)的橋梁都是梁式結(jié)構(gòu)，中國現(xiàn)在有實(shí)物證據(jù)的最早的成規(guī)模的梁橋要算陜西的咸陽沙河橋。
從跨越能力來講，4種橋型從大到小的順序，應(yīng)該是懸索橋、斜拉橋、拱橋和梁橋?？缍仍酱笠簿鸵馕吨夹g(shù)難度越大，我們經(jīng)常用橋梁的跨度來大致衡量建造一座橋梁的技術(shù)水平。到現(xiàn)在為止，這4種橋梁的世界紀(jì)錄是多少呢？懸索橋2023米，在土耳其；斜拉橋1176米，在中國江蘇；拱橋600米，在中國廣西；梁橋300米，在中國重慶。
中國對(duì)世界橋梁的貢獻(xiàn)
中國橋梁的建設(shè)歷程是不平凡的，大致分為“建成學(xué)會(huì)”“自主探索”“學(xué)習(xí)追趕”“提高奮進(jìn)”和“創(chuàng)新引領(lǐng)”5個(gè)階段。
進(jìn)入21世紀(jì)，以超大跨度斜拉橋、懸索橋、拱橋和大規(guī)?？绾９こ探ㄔO(shè)為代表，中國橋梁的建設(shè)規(guī)模、跨徑和技術(shù)難度不斷跨越世界巔峰，攻克了一批關(guān)鍵核心技術(shù)。不僅促進(jìn)了新型材料和裝備的研發(fā)，也讓中國橋梁工程技術(shù)進(jìn)入世界先進(jìn)現(xiàn)代橋梁技術(shù)的陣營。
中國橋梁的第一個(gè)貢獻(xiàn)是三塔方案。以往在長江上建造大橋跨徑并不是很大，但為什么我們現(xiàn)在需要建更大跨度的橋梁？目的是為了在更高水平上兼顧兩岸交通的需求和航運(yùn)安全這對(duì)矛盾。從溝通兩岸的交通來講，長三角、珠三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)繁榮，過江交通需求量是巨大的。橋梁工程師一直在提高橋梁的跨越能力，但橋梁跨度越大，技術(shù)難度越高，造價(jià)也就越貴，有沒有更好的選擇？實(shí)際上可以用多個(gè)連續(xù)的主跨，來覆蓋通航水域，從而減少單孔橋梁的跨度，節(jié)約投資。比如我們?cè)谔┲蓍L江大橋和鸚鵡洲長江大橋設(shè)計(jì)的時(shí)候，就充分利用了它們位處長江的W形的河床斷面，在水中水深較淺的區(qū)域設(shè)置一座橋塔，用兩個(gè)大跨，跨越整個(gè)長江的通航水域。既可以很好地滿足通航的需求，又減少了橋梁的跨度。相比常規(guī)的一跨過江方案，利用三塔方案，橋梁的跨度減少一半，主纜的截面、用量也減小一半，相應(yīng)的錨碇體量也大約減少了一半，工程造價(jià)顯著降低。
中國橋梁第二個(gè)貢獻(xiàn)是三索面新結(jié)構(gòu)，三索面新結(jié)構(gòu)是為了適應(yīng)多功能橋梁的建設(shè)而提出來的一種結(jié)構(gòu)。所謂多功能橋梁就是一橋搭載多種交通功能，將高速鐵路、城際鐵路、地鐵、輕軌、高速公路、市政道路等多種交通荷載進(jìn)行合建，用一座橋解決多種交通功能的需求，從而減少橋梁的絕對(duì)數(shù)量。把多種交通功能集中在一座橋上面，意味著橋梁承受的荷載更重、橋梁也更寬，由此首創(chuàng)了三索面的斜拉橋結(jié)構(gòu)，就是把橫向的、兩索面的斜拉橋的兩個(gè)支點(diǎn)變成橫向的三個(gè)支點(diǎn)，從而改變橫向的受力。對(duì)于三索面斜拉橋來講，就是要研究空間結(jié)構(gòu)的多種荷載的加載方式和施工的實(shí)踐方法。三索面斜拉橋結(jié)構(gòu)提出來以后，首先應(yīng)用在天興洲長江大橋的建設(shè)上，后來大范圍地推廣，為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和世界橋梁技術(shù)的進(jìn)步都作出了貢獻(xiàn)。
第三個(gè)貢獻(xiàn)是轉(zhuǎn)體施工，所謂轉(zhuǎn)體施工，就是利用岸邊的場地和兩岸的山勢，在方便的地方拼裝，而不是一定要在它最終的位置上來拼裝。1999年在建設(shè)廣州丫髻沙大橋的時(shí)候，這個(gè)橋的跨度是360米。為了實(shí)現(xiàn)拱的拼裝，先把兩個(gè)半拱在江的兩岸分別拼裝成型，然后第一次豎轉(zhuǎn)達(dá)到橋梁高程的位置，第二次通過平轉(zhuǎn)達(dá)到橋梁的中線位置，整個(gè)轉(zhuǎn)體的重量到了13600噸。
中國對(duì)世界大跨度拱橋的第四個(gè)貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在整體的預(yù)制架設(shè)。新中國成立初期，中國梁橋架設(shè)的能力大概只有80噸，到目前為止我國高鐵整孔預(yù)制的箱梁跨度已經(jīng)到了40米左右，重量也超過了1000噸，所以搬、提、運(yùn)、架這個(gè)裝備是最關(guān)鍵的。中國高鐵建設(shè)初期，曾經(jīng)進(jìn)口過少量的國外設(shè)備，后來就完全立足于自主的研發(fā)，研發(fā)了多種巨無霸，包括450噸的提梁機(jī)、900噸的運(yùn)梁車、900噸的架橋機(jī)，這些設(shè)備保證了中國高鐵自主的高質(zhì)量建設(shè)。
第五個(gè)貢獻(xiàn)是跨海橋建設(shè)。我國的海岸線有3.2萬公里，江河的入?？诤脱睾５膷u嶼眾多，實(shí)際上中國到21世紀(jì)才開始規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)真正的跨海橋。要建設(shè)跨海橋，有3個(gè)方面的技術(shù)挑戰(zhàn)：第一個(gè)挑戰(zhàn)就是這個(gè)橋非常長；第二個(gè)挑戰(zhàn)就是氣象復(fù)雜，風(fēng)浪大而且比較頻繁，一年的有效作業(yè)時(shí)間，大概只有180天左右；第三個(gè)挑戰(zhàn)就是海洋有腐蝕環(huán)境，橋梁的耐久性問題更加突出。常規(guī)的在內(nèi)陸的江河湖泊上建橋的現(xiàn)場施工作業(yè)的方式，實(shí)際上都是不合適的，橋梁必須整體地預(yù)制、整孔地架設(shè)。在上海東海大橋建設(shè)中，這個(gè)橋全長是32公里，梁重是2100噸，當(dāng)時(shí)就是以海上沈家灣這么一個(gè)島為基地，進(jìn)行梁體的預(yù)制。最后用專用的運(yùn)架梁起重船“小天鵝號(hào)”，進(jìn)行整體的運(yùn)輸和架設(shè)。
未來無限可期
今天，中國橋梁無論是跨越能力、建橋技術(shù)、建橋材料、建設(shè)裝備，各個(gè)方面都已經(jīng)達(dá)到了世界一流的水準(zhǔn)，在跨海橋、高速鐵路橋梁、跨越繁忙水域大跨度橋梁建設(shè)方面，為世界橋梁技術(shù)的發(fā)展作出了中國貢獻(xiàn)。
我國橋梁建設(shè)逐步從“中國制造”走向“中國創(chuàng)造”。在國際橋梁建設(shè)市場上，中國造的橋梁已經(jīng)接近了全球市場的一半左右份額。
1956年，毛澤東暢游長江，在水上近距離視察了正在建設(shè)中的大橋，回到東湖賓館以后就寫下了“一橋飛架南北，天塹變通途”的著名詩句。今天長江上已經(jīng)建成的橋梁超過了160座，根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會(huì)印發(fā)的《長江干線過江通道布局規(guī)劃（2020—2035年）》，2035年我們需要建成240座左右的過江通道。未來依托“一帶一路”倡議、交通強(qiáng)國等國家戰(zhàn)略，我們要建更多的綠色橋、高效橋和智慧橋。
