橋梁建筑材料應用與發展研究范文

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1.引言

“橋”原本是一種高大的樹，因為夠高大，砍下來就夠長放在河面，可以連著兩邊河岸，即獨木橋，這也是人類最初對橋的認知。人類在原始時代，跨越水道和峽谷，是利用自然倒下來的樹木，自然形成的石梁或石拱，溪澗突出的石塊等。再到后來，逐漸出現了具有一定結構形式的木橋、石橋、鐵橋、鋼橋等使用不同建筑材料的建造的橋梁。

2.古代建橋材料

在古代，木材是當時最為廣泛的一種建筑材料。無論是在建房上還是在建橋上，木材都是不可或缺的。而且用木材來建橋，也是最簡單的一種建橋方式。所以，木材在橋梁發展的最開始，被人們大量的使用。木橋的優點是可以就地取材，構造簡單，建造方便，小跨度多做成梁式橋，大跨度可做成桁架橋或拱橋，但是，木橋也有很多的缺點，那就是承載能力不足而且極容易腐壞和發生火災。所以，雖然當時建的木橋很多，但是并沒有被保留下來。

2.1木材

修建于北宋都城東京開封府的虹橋構造奇特，而我們現在只能在宋代名畫《清明上河圖》中一睹它的風采。由于木橋的種種缺點，人們開始追求新的材料來建橋，在當時，除了木材，石材便是一種多且好的建橋材料。而石橋的主要建造形式便是石拱橋。據考證，中國早在東漢時期就出現石拱橋，在出土的東漢畫像磚上刻有拱橋圖形。中國古代石拱橋拱圈和墩一般都比較薄，比較輕巧，如建于公元816～819年的寶帶橋，后經歷代多次重修，橋全長317米，薄墩扁拱，結構精巧[1]。

2.2石材

目前，世界上歷史最悠久且保存最完好的一座石拱橋就是我國河北的趙州橋。趙州橋始建于隋朝,由隋朝著名匠師李春建造，是世界上現存年代最久遠、跨度最大、保存最完整的單孔敞肩石拱橋，歷1400多年而無恙。金明昌三年（1192年）建成位于今北京西南的盧溝橋，共11孔，跨徑從12.35米至13.42米不等，橋欄上配有栩栩如生的大小石獅485個；在《馬可•波羅游記》中它被形容為一座巨麗的石橋，后來外國人都稱它為“馬可波羅橋”。直到公元19世紀，石頭和木材一直是最重要的橋梁建筑材料。隨著社會的發展，橋梁也得到了很大程度上的發展，無論是從形式上還是材料上。尤其是建橋材料的發展尤為明顯，開始出現了鐵橋、鋼橋、鋼筋混凝土橋等。

3.近現代建橋材料

3.1鑄鐵與鍛鐵

鐵的出現，對于橋梁來說，是一個重大的變革。相比起來，鐵橋在建造上相對于石橋要簡單，而對于木橋而言，鐵橋的使用期限更長，而且比較堅固。鐵橋包括鑄鐵橋和鍛鐵橋。鑄鐵抗沖擊性能差，抗拉性能也低，易斷裂，并非良好的造橋材料，但適宜作拱橋建造材料。而鍛鐵抗拉性能雖然較鑄鐵好，但鍛鐵橋多作為吊橋，吊橋比較不穩定，在上面行走橋容易晃動。英國1779年在科爾布魯克代爾(Coalbrookdale)首次建成一座主跨約30.5米的鑄鐵肋拱橋，該橋曾使用170年，當時人們將鑄鐵當作一種可塑的石頭使用，其設計思路仍沿襲磚石結構。

3.2鋼材

19世紀50年代以后，隨著鋼材煉制技術的發展，鋼材成為重要的建橋材料。鋼的抗拉強度大，抗沖擊性能好，而且鋼材可以做多種形式的橋梁，尤其是19世紀70年代出現鋼板和矩形軋制斷面鋼材，為橋梁的部件在廠內組裝創造了條件，使鋼材應用日益廣泛，現在的鋼橋多以桁架梁橋為主。位于美國舊金山金門海峽之上的金門大橋（GoldenGateBridge）是一座鋼桁梁懸索橋，是世界著名的橋梁之一，橋身全長1900多米，建造使用了10萬多噸鋼材。

3.3混凝土與鋼筋混凝土

鋼材并非最理想的建橋材料，主要原因就是由于鋼材在空氣中容易被腐蝕，所以，從很大程度上減少了橋梁的壽命。人們開始嘗試各種防腐方法，但都不盡理想。而混凝土的出現正好解決了這一個問題，19世紀50年代，人們開始采用在混凝土中放置鋼筋，混凝土與鋼筋線膨脹系數相當，而且鋼筋全部包在弱堿性的混凝土中間，基本不會被銹蝕。鋼筋與混凝土一起使用，也解決了混凝土抗拉強度不高的缺陷。所以，鋼筋混凝土便成了建橋的常用材料。1900年前后鋼筋混凝土逐漸受到橋梁界重視,被用在拱橋和梁式橋中。鋼筋混凝土拱橋的跨度記錄不斷被刷新。在20年代初最大跨度為100米。其后有：1934年建成的瑞典斯德哥爾摩特蘭貝里（Traneberg）公路橋跨度178.4米；1939年建成的西班牙埃斯拉鐵路橋凈跨192.4米；1943年建成的瑞典桑德橋跨度264米。位于我國貴州省關嶺自治縣與晴隆縣交界處的滬昆高鐵北盤江特大橋，是世界最大跨度的鋼筋混凝土拱橋，全長721.25米。另外，為了減輕自重、增大跨徑以及滿足結構日益復雜的橋梁的施工要求,各種高強度、高流動度、良好泵送性能的預拌混凝土也應運而生。

3.4新型復合材料

隨著材料科學的發展，尤其是復合材料性能的不斷進步，越來越多的橋梁開始應用復合材料制造核心部件。常用于橋梁的復合材料有FRP（FiberReinforcedPolymer/Plastic），又稱纖維增強復合塑料，現有CFRP（碳纖維增強復合材料）、GFRP（玻璃纖維增強塑料）、AFRP（芳綸纖維增強塑料）等。CFRP是FRP材料中最有潛力的材料，其力學性能隨著碳纖維強度的增強及母體樹脂的高韌性化而增強，在橋梁工程中具有廣闊的應用前景[2]。矮寨特大懸索橋位于湖南省湘西州吉首市矮寨鎮境內，是國家重點規劃的8條高速公路之一，運用碳纖維作為預應力筋材。纖維增強復合材料FRP應用于橋梁工程中具有眾多優勢，如：自重輕，承載力高；可設計性強，適合于工廠預制；抗腐蝕能力強；耐超載；易安裝，施工快捷，運輸方便等。目前，FRP在新建橋梁中的應用形式包括FRP橋索、FRP橋面板、FRP組合梁以及整體結構中主受力構件采用FRP型材等橋梁結構型式。以國內為例，FRP材料作為橋梁主體結構，已應用于主梁、斜拉索、主桁架等橋梁關鍵部位[3]。1982年，我國建成了世界上第一座FRP結構公路橋--北京密云公路橋，該橋采用GFRP蜂窩板箱梁。日本與美國將FRP材料制造的筋或預應力索應用在鋼筋混凝土橋中。對于一些擁有較長歷史的橋梁，出于保護目的，一般會在不改變橋梁結構的基礎上對橋面進行翻修、加固甚至拓寬，這種情況下通常也會采用復合材料，例如瑞士在翻新沃州阿旺河上已有100年歷史的道路橋時，采用了思瑞安COLEVO橋架板，使得橋梁在具有較好的承載能力的同時，具有較低的密度。

4.結語

現代橋梁結構發展趨勢向輕型、超大跨度發展，對橋梁建筑材料的性能,包括耐久性、強度和質量提出了更高的要求。各種高強混凝土、纖維增強材料及防護材料的研制為現代橋梁的研究和發展創造了條件。展望未來，隨著經濟技術和建筑材料的發展，一批更大的越江跨海工程的建設，將會為世界橋梁創造更輝煌的成就。

【參考文獻】

[1]佚名.讀書筆記-從材料的發展簡述橋梁的發展[DB/OL].百度.

[2]周宏偉.橋梁新型材料的發展[J].鐵道建筑.1998(1):17-19.

[3]湯洪雁，王秀艷.FRP復合材料在橋梁工程中的應用與發展[J].城市道橋與防洪.2016（3）:182-184.

作者：邱蘭 單位：湖北水利水電職業技術學院