社会主义制度和桥梁技术 [复制链接]

第7版()
专栏：

社会主义制度和桥梁技术
铁道科学研究院院长　茅以升
三国时，曹操的儿子曹丕，带领人马，东征孙吴，到了长江，见波涛汹涌，不敢渡，叹口气说：“固天所以限南北也”（见“三国志”），没奈何废然而返。后来南北朝时，有个孔范就说：“长江天堑，古以为限”（见“陈书”）。长江就这样把我国南北“限”了几千年。但这并不是“天”限，而是人限的。果然，一到伟大的毛泽东时代，很快就“一桥飞架，南北天堑变通途！”武汉长江大桥的建成，打破了长江天堑的迷信；现在长江上第二座的重庆大桥，又已建成，第三座的南京大桥，接着又要开工。中国人民再没有什么大江大河上的桥梁，不能用自己的力量来造成的了！
我国桥梁建筑的优良传统
桥梁是一国文化的一个特征。人类一有交通，即需要桥梁，越是靠河的地方，人口越集中，发展成为城市，桥梁就越多。任何开发较早的国家，桥梁都不会少，我国文化悠久，而且河流众多，当然桥梁也就特别多。苏州一个县，在清代初年，就有三百九十七座桥梁（见“江南府县志”）。据说仅石桥一项，几千年来，全国造了三百多万座。然而，我国桥梁的特点，不在数量而在质量。首先表现在规模的宏伟。秦始皇时所造的西安“中渭桥”，就已经是“宽六丈，长二百八十步，分六十八孔”（见“关中记”）。其后公元1257年左右修建的泉州“盘光桥”，“长四百余丈，宽一丈六尺”（见“泉州府志”），更是惊人。其次表现在种类繁多，有各种材料造成的各式各样的桥。上述的中渭桥和盘光桥都是“梁式桥”；约公元270年时在孟津县黄河上即有“浮桥”；约公元282年时在洛阳就有石砌“拱桥”；约公元410年时在甘肃导河县就有“伸臂桥”；此外，在四川都江堰有竹索“悬桥”，贵州盘江有铁索悬桥，广东潮州“湘子桥”有开合“活动桥”。近代桥梁的主要型式，在我国古桥中，几乎包括无遗了。再其次表现在建造的坚固，到处可看到几百年前造的石桥，甚至有将近千年历史的泉州“洛阳桥”和一千三百多年历史的河北“赵州桥”，直到今天还在继续服务，未曾中断。最后，也是最重要的，表现在桥梁结构的科学化。赵州桥是个三十七米“跨度”的石拱桥，在大拱之上路面之下的桥身里，开了四个洞的小拱，不但可以过水，而且减轻了桥身重量。这在近代桥梁上，名为“敞肩拱”，是个最经济、适用而又美观的型式，用途最广，但在欧洲初次建造这种拱桥时，却比我国晚了九百多年。洛阳桥，长三千六百尺，修桥墩时，为了克服波涛冲击，在桥基上利用一种“砺”来把松的石块“胶固”，就是近代所谓“筏型基础”的最早尝试。此外，类似的创造性的结构，还有很多。最明显的证明就是在许多古桥上行驶近代载重汽车，按一般设计公式核算，并不能胜任，但它们不但不倒，而且坚固如初，原来是在结构上，充分利用了“被动压力”的缘故；这在今天还是个新理论，而在我国石桥上，老早就被普遍应用了。以前的桥工巨匠虽然不了解这些科学理论，但是他们都从总结实践经验的过程中创造出各种结构型式。特别是在修理桥梁时，他们从损坏的状况，理会出结构中的强点和弱点所在，因而整理出一套经验法则，来逐步改进设计。这是我国造桥技术的优良传统，成为传留后世的宝贵遗产。从桥梁建筑中，也看到我国劳动人民的伟大。
社会主义制度保证了桥梁技术的飞跃发展
近百年来，我国造桥技术的优良传统，由于封建制度的压迫和帝国主义的侵略，未得到应有的发展；到了解放前夕，我国造桥技术，在世界上已经显得非常落后了。就拿那时由我国工程师自己设计的钱塘江大桥来说，不但钢梁和机器是外国来的，而且主要的桥墩和架桥工程都是由外国人包工的；技术上虽然解决了流沙和深基础等问题，但所用方法也是外国的老一套，既非创造，亦未得到推广。其他几座旧的大桥，情况类似，甚或更为落后。所有这些桥梁，那能算是旧中国的技术遗产呢？
但是，一到解放，我国桥梁技术就开始出现完全崭新的面貌。经过逐年发展，不但在自力更生的基础上，壮大了桥梁队伍，充实了物质力量，而且在科学技术上，取得了巨大成就。最明显的例证就是武汉长江大桥。它的钢料是我国生产的，钢梁是我国制造的，一切工程是我国自办的，而且技术上有许多创造，达到世界先进水平，特别是在苏联专家帮助下完成的管柱结构基础，利用震动打桩机，下沉管柱，更为深水下的建筑工程开辟了一个新纪元。我曾在一些资本主义国家的首都，作过关于这座桥的技术报告，他们工程界颇为震动，都认为我国对桥梁技术作出了重大贡献。
解放后十年来，我国所造铁路、公路和城市桥梁的数量，是很可观的，仅铁路大桥一项，总延长即达二十万米，中小桥不算。大跃进以来，桥梁的建设速度，更是空前。这些桥梁分布在全国各地，情况复杂，任务紧迫，但都是如期完成，而且很多是提前完成的。这就是我国桥梁技术飞跃发展的铁证。这是由于有了正确方向，这个方向就是要多快好省地解决桥梁技术中的关键问题。也就是说，我国桥梁技术是遵循着建设社会主义总路线的光辉道路前进的。这都是由于有了党的领导和贯彻了群众路线的必然结果。
现在简单介绍一下桥梁技术中的一些关键问题，并从总路线的要求，来看这些问题在我国是如何解决的。
如何发挥作用　桥梁作用已经成为通用名词，可见这种作用是难能可贵的。以前有句俗话“修桥补路做功德”，很能表达这种作用——把困难留给自己，方便让与别人的意义。在铁道公路上修桥，就要充分体现出这种意义。就像道路为车辆服务，要能发挥车辆的最大功能一样，桥梁为道路服务也要发挥道路的最大作用，否则就不成为桥梁而是渡船了。提到渡船，历来人们都不免要怀有戒心，因此长江才成为天堑。唐代诗人孟浩然“望京口”诗：“江风白浪起，愁杀渡头人”正是这种心情的写照。有了桥梁过江，情景就大不相同了。第一是安全，第二是车辆速度不降低，第三是上下桥时车不停留。由于桥梁是架空的道路，是道路的一部分，车在桥上走就要和在路上一样，不应有路归路、桥归桥的区别。桥梁的宽度、坡度、弯度和“荷载”能力等等都要和它连接的道路有同一技术标准，甚至要有更高的标准，因为运输发展，加强道路比较容易而改造桥梁是更为困难的。
除了桥梁的这些积极作用而外，还要考虑它的另一方面。对过河的桥梁来说，河上要走船，船有一定高度而水面有涨落，水涨船高，桥梁离水面就要有一定“净空”高度，才不致阻碍水上交通。对跨越山谷的旱桥来说，它必须连接山中盘旋的道路，而这种道路往往高到使桥梁在山谷里难以生根，然而桥总不能因此而妨碍路。可见不论是过河或越谷的桥，都有个高度问题；而桥下水上的净空问题更难解决，因为在这里陆运和航运是有矛盾的。水上的桥和陆上的路相连接，需要一个“过渡”，这个过渡，在低桥是土方筑成的路，而在高桥就不得不在两岸上修桥，名为“引桥”。如果水上的船高桥高，这个引桥就可能比水上的“正桥”还长，因而大大增加了建桥费。有的地方就因此而建筑隧道来代替桥梁。这个净空问题在资本主义国家，往往因车船两方的争执，悬而不决，以致造桥无期，但在我国，由于有关各方的大协作，就能迅速合理地解决。
再以武汉长江大桥来说，解放前我们也作过设计，那时反动政府海军方面，竟借口国防，坚持要求水上净空至少三十三米，比起现在建成的桥的十八米净空来，不但要把所有的桥墩都提高十五米，而且更重要的，要把两岸引桥都大大延长，这该形成多大浪费！幸而那个设计，未曾实现！现在武汉大桥的十八米净空，经过两年多的事实证明，水陆两方，畅通无阻，可见这个数字的合理。又如即将兴建的南京长江大桥，水面至江底岩层深度大大超过武汉大桥，江的两岸又无山头可利用，纵然用十八米净空，桥墩高度和引桥长度，都十分惊人，因而工程非常艰巨，何况这里的船，当然要比武汉的高，十八米还不够用，世界大桥中，像这样车船间的矛盾，恐怕是很少见的了。但在我们国家，由于全国一盘棋，交通水运部门尽量从降低船身高度设法，铁路陆运部门尽量从提高净空设法，地方市政部门尽量从配合桥址设法，大家都把修桥当作自己的事，都渴望早日建成这一世界东方最大的桥，任何困难问题都能合理解决，何况这一净空问题。这正是我们社会主义制度的无比优越性！
如何组织构成　桥梁既是架空的道路，它的建筑就包括道路与架空的两个部分。由于这个道路是下面临空的，只有两头有支持，因而形成一种“上部结构”，横卧在“下部结构”之上，造成架空之势。上部结构所承受的各种荷载，通过下部结构，都要传达到地基。这上下部结构，在水中、空中，组成一座又长又高又扁而又空心的建筑，不但上面受着车辆的动力，下面受着水流的冲击，两旁受着风暴的侵袭，而且还要受雨雪、冰冻、酷热的影响，有时还会遇到地震。因此，桥梁建筑的担负比任何其他建筑都要格外沉重、格外复杂。这就需要用高强度的材料，并且把这材料组成最合理的结构。所谓高强度的材料就是要本身重量轻而抵抗力大并且寿命长。所谓最合理的结构就是要能发挥材料的最大强度而不暴露其弱点。桥梁设计就是使这种材料，通过这种结构，来起应有的桥梁作用的一种技术。
桥梁在起作用时，所有桥上的各种荷载即迫使结构变更形状，谓之“变形”，也就是迫使组成结构的各单元“构件”，都同时变形。结构的总变形即是各构件单独变形的综合结果。各构件单独变形的大小，决定于构件在结构中的位置和制成构件的材料。结构变形终止时，桥梁即到达在荷载下的平衡状态。变形愈小，桥梁愈稳定，这是桥梁设计的争取目标。因此，材料组成结构，要能统一内容与形式，有机结合，相辅相成。桥梁之所以有多种型式，就是出于这种相辅相成的要求。比如，像一条板凳的“梁式桥”，上部结构是座“梁”，变形时显出弯曲形状，因而梁的材料就要能抗弯。这种材料最好是钢，其次是钢筋混凝土，再其次是木材。又如向上隆起的“拱桥”，主要结构是蜷伏的“拱”，承重时的变形是压缩，拱的材料就要能抗压而不必抗拉，因而就可用石块，甚至砖块。又如“悬桥”的吊索，变形全是拉长，其材料就要能抗拉而不需抗压，因而钢丝绳最好，甚至竹缆也可胜任了。可见桥梁的型式应当决定于可能采用的材料，然后选择或创造一种结构形式，来充分发挥这种材料的最大强度。
在资本主义国家，修桥常靠公债筹款，将来收“过桥费”，把桥梁当作商品，对于桥梁的设计和施工，都以能博取最大利润为原则；以金钱为标准，来采用最便宜的材料，最便宜的结构，而不问其科学上是否合理，更谈不到配合全国经济，因而常有离奇的桥梁出现；至于对殖民地的剥削，当地有料有工而不用，强迫推销自己的货色，那就更不必问了。我国解放前的铁路桥梁，大半就是这样造成的。解放后的我国桥梁就根本改观了，最显著的是就地取材，如在产石地区，就尽量采用石料而且修建大跨度的石拱桥，像湖南公路黄虎港石拱桥，跨度达六十米；其次是全用本国材料并且服从全国统一分配，凡能用钢筋混凝土修桥时，决不用钢，如詹东铁路丹河桥钢筋混凝土大拱，跨度已达八十八米。再其次是创造多种结构型式，来充分利用材料或改进工艺过程，如武汉长江大桥的米字形钢桁架，金沙江公路桥的斜缆索桥塔，赣江铁路桥的五点八米的大型管柱基础，京广铁路信阳附近的钢和钢筋混凝土结合梁，等等。可见桥梁的如何组织构成是和它所在国家的社会制度有关的。
如何挖掘潜力　任何桥梁材料和它组成的结构，都有显而易见的优点和缺点。设计的任务就要发扬优点，克服缺点，也就是要挖掘材料和结构的潜力，特别要加强薄弱环节。比如混凝土，抗压强度大大超过抗拉强度，用作梁的材料，则抗拉不足而抗压有余。但如放进钢丝，用张拉钢丝法，使混凝土预先全部受压，然后再使它局部受拉，那么，这后来的拉长不过是抵消了预有的部分压缩，其结果这混凝土仍然是在受压状态，但它却已经起了抗拉作用。这就是“预应力”混凝土。又如，空心管子的柱子，比同一数量材料的实心柱子，要强得多，一块隆起的瓦，比平面的瓦要能多受压，都是从变更形状来挖材料潜力的例子。又如，同一材料，同一数量，拿胜任荷载的能力或桥孔大小来说，实心板梁不如透空“桁架”，平直板梁不如拱形板梁，而不论板梁或桁架，互不连接的多孔桥就不如多孔连接的“连续桥”。如果又是桁架，又是拱形，又是连续，那就更经济了。这都是发挥结构潜力的例子。
此外，同一材料，同一结构型式，还可从设计理论上来挖潜力，比如根据“塑性理论”来做“极限设计”，就比根据“弹性理论”来做设计更为经济。所有这些都是有意识地发挥潜力的方法。一座桥梁还有它更重要的潜力，却是靠它自己自动发挥出来的。桥梁的上下部结构是一个统一体，在承受荷载时，“牵一发动全身”，是会根据自然法则，自动调节，使整个建筑达到稳定平衡状态的。通过这样自动调节，以强济弱，所有设计时考虑不到的外力，以及桥梁临时变形所产生的内力，就都可由桥梁的潜力来担负了。桥梁的这种强度储备，是它能够安全完成任务的重要保证。所有以上的这些挖掘潜力的例子，在我国桥梁中，随处可见，这都是由于充分发挥了群众积极性，也就是人的潜力的结果。其中较突出的如武汉长江大桥以管柱为基础的连续钢桁架，集二铁路坝王河桥采用的四十二米跨度装配式预应力钢筋混凝土刚性梁柔性拱，宝兰铁路甘草店附近黄土沟桥用了钢筋混凝土的管子建成三十五米高的桥塔，来代替桥墩，等等。在理论方面，有的钢筋混凝土的梁式桥已采用了先进的极限设计。
如何统一矛盾　建筑一座桥梁，面临着自然界的许多因素，有的是可以利用的，有的是有矛盾的。这些因素，有的比较固定，如地形、地质，有的经常变化，如水流、风雨。在选择桥梁地址时，首先要充分利用地形，如武汉长江大桥，由于净空大，就建筑在武昌蛇山和汉阳龟山之间，来减少引桥长度，克服车船过桥的矛盾。其次要考虑水文和地质。一条河在河面宽的地方，水浅流缓，河面狭的地方，水深流急，是造长桥矮墩好呢，还是短桥高墩好呢？假如河面宽的地方，河底地质好，河面狭的地方，河底地质复杂，是要基础好做的长桥呢，还是基础难做的短桥呢？这些矛盾，在我国各方大协作的前提下，出现了新的解决途径，比如关于河流宽度，水利部门可建筑“导流堤”来调节水流，压缩桥长；关于基础深度，地质部门可大力协助勘探，充分搜集资料，来协同定出正确的桥位线。桥位选定了，知道桥的总长，但该分几个桥孔呢？桥孔跨度长了，桥墩当然减少，但上部结构就费了，跨度短了，上部结构省，但桥墩又多了。这里的主要矛盾是桥梁一孔的跨度和桥墩基础的深度，因为桥孔多或桥墩多，还只是工程数量问题，但如桥孔的跨度大，或桥墩的基础深，则是工程的技术水平问题了。这在我国比较重要的桥梁，都是由设计施工部门约同有关的科学研究机构和高等学校举行会议，经过充分研究而解决的，因而总是最适当的。
在建筑桥墩时，首先要克服基础工程中的种种矛盾，如水力冲击，泥沙阻碍，深水压力，等等，桥墩筑就，在水上空中，架设桥身的上部结构，其中也是困难重重，处处矛盾。所有这些问题必须善于综合考虑桥址的各种自然因素，结合桥梁的特点合理解决，而在施工时，更应充分利用自然界的力量，如潮水涨落，重力平衡等等，来帮助克服自然界的矛盾。可见桥梁是在理论结合实际的条件下，通过激烈斗争，战胜自然的产物。在所有以上矛盾的解决中，我国的造桥负责单位都不是孤军作战，而是始终都得到有关各方的支持协助的，时常为了一座桥而调动了全国有关的各种积极因素。比如武汉长江大桥所需材料机具，在全国几十个工厂都属于优先订货，在与洪水作战时，武汉市地方更给了极大支援。像这样克服困难，统一矛盾的集体力量，只有在社会主义国家才能充分调动起来！
如何提高速度　高质量不但出于大的数量，而且和高的速度也是分不开的。桥梁在修建过程中，时常四面楚歌，处处受敌，就是在制造材料构件时，也是要趁热打铁，迟则生变，因而争取高速度成为保证质量的重要手段。同时，高速度也促进了新材料、新结构、新理论、新风格、新设计、新施工等在桥梁技术中的不断发展。举例来说：关于新材料，我们用快硬高强混凝土来减少混凝土的凝结时间，制成了陶粒混凝土来减轻自重；关于新结构，除了上述预应力混凝土做成的构件外，现在推广装配式混凝土结构，将所有混凝土构件都在工厂中制造，然后运往现场装配，来代替就地浇筑，既可赶工，更能保证质量。关于新理论，这是随着新材料、新结构的发展而发展的，如预应力混凝土和管柱基础就是这样。同时，快速设计和施工也为理论提出新问题。关于新风格，由于桥梁和建筑一样，也要美观，但不能因此而浪费材料或工时，我们就要求结构本身，除了胜任荷载，经济耐久而外，还要能体现出艺术上的造型风格。关于新设计，主要表现在标准化，我们把各种材料，各种型式的桥梁结构，都按照不同荷载的要求，预先制成“定型设计”，以便适用于情况相同的桥梁，随时需要，随时供给，来克服设计赶不上施工的矛盾。这是推广装配式结构的一个主要条件。关于新施工，主要表现在机械化。桥梁建筑有很多严格要求必须满足，如极沉重的构件要在空中起吊，很复杂的工作要在水下完成，很准确的测量要在风浪中操作，等等，都需要机械的助力，有的要能力强，有的要精度高。我们在修桥时，一般都附设工厂，制造机械工具，不但能造大型的，如武汉长江大桥工厂制造出四百吨震动打桩机，而且生产各种简易“土”机械，如起吊扒杆，缆索起重机等，来减轻劳动强度。经过以上各种提高速度的新措施，我们在桥梁技术上就能因地制宜，打破陈规，土洋并举，不断革新，内则平行作业，外则全面协作，因而取得了不少巨大胜利。特别是大跃进以来，受了总路线的鼓舞，群众干劲十足，发挥了无比的积极性和创造性，经常掀起学先进赶先进的高潮，因而设计和施工速度，不断出现空前纪录，为今后更大的桥梁任务，提供了更好的“造桥工业化”的有利条件。
从上所说，可见任何桥梁技术中的关键问题，在社会主义的我国总能合理解决，因而桥梁建设得以迅速发展。桥梁建设只是社会主义建设中的一个极小部门，然而它和其他部门一样，从本身实践中，证明了社会主义制度的无比优越性，它给科学技术事业所创造的极其广阔的发展天地，再一次证明了党的总路线的无限生命力和大跃进的伟大历史意义！