所谓“文物”,至少有两个特征,一个是存在时间足够长,另一个是有独特的价值值得保存收藏。
开合桥在近代的桥梁工程中占有重要的地位,在18、19世纪的年间,欧洲大陆、北美大陆和英国先后进入运河时代和铁路时代。当公路或铁路跨越有通航要求水域时,建造了不少开合桥。进入公路时代,开合桥不能够适应现代社会对交通的快捷要求,便逐渐从曾经的辉煌中淡出人们的视线,变成了历史。这些变成历史的桥梁,位于闹市的,多半由于旧城、旧桥的更新换代被拆除;被废弃不用的,得不到维护而自然毁损;那些仍在使用的开合桥,大多已是超期服役,犹如百战沙场的老兵,虽遍体伤痕仍耿耿忠心。
从社会发展和技术进步的角度,开合桥基本处于被淘汰的地位。如今的桥梁工程专著,大约只会在介绍演变历史时,开合桥才会被提及。开合桥的设计包括两个主要部分,一个是桥梁结构,一个是“开”与“合”的机械构造,这后一部分内容又涉及动力设备。可以说,开合桥的一半是结构,一半是机械。也许是这个原因,即使在开合桥广为流行的19世纪,桥梁工程设计教科书里,一般也不涉及开合桥。
从文化的角度,开合桥本身是桥梁设计艺术中,有历史价值的组成部分,代表桥梁工程历史上一个特定的时代,承载着昔日的工程荣耀。解读它的演变过程,会得到许多和它关联的社会、历史、文化、科学、工艺等信息。从这个意义上讲,称之为“文物”,应该不算勉强。
发展演变
如果不考虑在船上或是浮筒上搭建的开合桥(英文是pontoon),最早的开合桥英文是“drawbridge”,直译就是“拖拉桥”,十分形象地说明了最初的开合方式。不过,早期使用开合桥不是通航,而是防御。
桥梁,是和平时期繁荣经济的通道;而沟堑河流,则是构成不同属地的天然边界。欧洲的中世纪曾很长一段时期领主割据,战事频繁。部落之间、城邦之间的联系不是经济贸易,而是为争夺自然资源展开的大大小小的战争。环绕城堡高且厚的城墙,以及城墙外面人工开挖的深沟和护城河,是安全的象征。作为中世纪的典型建筑,城堡更需要的是孤立和防卫。城堡的入口很少,在护城河或沟堑之处,一定有一座开合桥,这座桥用结实的木材构成框架,上面铺设木板构成桥面,跨越沟堑,是城堡与外界联系的通道,也是城堡守卫的关卡。从城堡内将桥面拉起来,竖转90度,桥断开了,竖起的桥面还可以成为城堡入口的一道大门(图1)。这便是Drawbridge的原意。
图1城堡入口处的开合桥
近代的开合桥,是从建设或改造跨越运河的桥开始的。
运河水位变化很小,运河上的交通主要是特殊设计的运河船,用马在河的两侧拖曳前行。由于不用帆,这些船体高度不大,而且往往走得很慢。在运河建设初期,沿河两岸许多地方都尚待开发,为最大限度降低造价,沿着河岸架设的桥梁,基本上是适应当时乡村道路的标准。桥面两端的接线陡峭,桥下净空也不大。据说初期运河客运开通时,需要一位船员专职提醒乘客:“前面有桥,低头!”
运河的开通,带动了内陆经济的繁荣,沿河两岸原有的小城镇不断向外扩展成为大城市,同时带动周边形成更多的小城镇,两岸的交通渐渐变得繁忙。运河沿岸的经济发展,需要在运河上架设更多的桥梁来连接两岸的城镇交通,需要延长陡峭桥梁的接线,降低线路纵坡,使得交通更加舒适便利。另一方面,航运对运河通航有了新的要求,希望在大江大海航行带有桅杆的帆船能直接经由运河进入内陆,这意味着增加通航净空。
带有桅杆的船只通行,需要很高的桥下净空;两岸的交通便利,要求桥梁两端的接线纵坡平缓。为解决这一对矛盾,开合桥成为首选。
最初的开合桥是平转(Swing),在运河中央立墩,两侧的桥面以中央墩为支点,在水平面上旋转90度与水流平行(图2)。在19世纪中叶,这样的平转开合桥构造简单经济,航道的净高没有限制,能够满足那些又高又窄的帆船通航要求。然而河中心旋转支墩始终是航行的障碍,在本来就不宽的河道上,简直是船员们的眼中钉。而且平转90度的桥面宽度占用河道,桥面宽度超过中央支墩的立面宽度时,桥墩两侧的通航水道变得更窄。因此,这种平转桥的适用范围很有限。
图2平转桥
19世纪后期的美国,随着工业化进程的深入,全国各地都经历了巨大的经济增长,这其中也包括船舶规模的改变,此时蒸汽动力船舶已经全面取代了帆船。工业革命让运河变得更繁忙,各方利益团体与建设和管理公路铁路桥梁的地方政府开始发生摩擦。绝大部分麻烦是因为桥梁净空对航运的阻碍。随着冲突愈演愈烈,联邦政府不得不介入协调。通常,调解结果是要求各地新建的桥梁必须有足够的通航净空。到19世纪末,国会立案,规定所有跨越通航水道的新建桥梁项目,必须经由国防部(WarDepartment)审核通过。同时,对于妨碍通航的既有桥梁,国防部有权要求对其进行升级改造。
至此,开合桥在美国进入了一个建设高峰。各种不同形式的开合桥应运而生,Drawbridge一词逐渐被MovableBridge取代。
开合桥的三种形式
所谓“MovableBridge”,是指跨越通航水域的桥梁,在特定时间临时中断桥面交通,上部结构移动开启,为航行的大船让出一条畅通的航道;待大船通过后,桥面合拢关闭,开放桥面交通。此时的MovableBridge,不再为了防御,而是具有双重畅通功能:桥面的公路或铁路畅通,桥下的船舶航运畅通。
与其他工程领域的技术发展一样,开合桥在设计与施工方面的发展和进步,是由工业革命催生推动的,它的发展更直接与动力机械的研发同步。开合桥的研发,始于19世纪的欧洲大陆和英国。美国的工业化进程比欧洲稍晚,在开始大规模建设桥梁的时候,便将大西洋彼岸的研发成果作为借鉴的典范,同时使用最新的开合驱动装置,使得美国的开合桥建设很具后发优势。
按照上部结构开启与闭合的运动方式,开合桥有三种主要形式——
平转桥(SwingBridge)
图2是典型的平转式开合桥。两片桁架在中央墩处,用强壮的横梁连接,横梁中点便是上部结构平转时的中心点。桥梁开启时,机械装置将桥梁的上部结构整体顶升,直到主梁两端脱离桥台约束,然后开始以横梁中点为轴心,绕竖向(垂直)轴,在水平面旋转90度,让开河道;闭合时反向平转90度,主梁回归原位,上部结构落位,主梁两端回到桥台支座。
这种平转支墩位于主梁中点的平转桥,在开启和闭合的转动过程中,桥梁的上部结构处于中点固定,两端悬臂的重力自平衡受力状态。这是最经济的布置方式。当河道较窄,不容许在中央设墩,或者是自然航道偏在河岸的一侧,这时,就需要将支墩移向河岸一侧,构成支点两侧悬臂长度的差异。为了实现平转时的重力平衡,常常不得不在桥台之后增加一个附加跨,在附加跨上配重以实现桥梁开启时的重力自平衡。这又会带来另外的问题。英国建造平转桥多半是板梁,用配重可以实现重力自平衡,但是由于板梁挡风面积较大,在平转时,支点处需要很强的横向约束。美国平转桥通常用桁架主梁,挡风面小,由于悬臂长度产生的风荷载差异相对较小。
竖转桥(BasculeBridge)
“Bascule”引自法语,原意为“秤”,在桥梁中特指绕水平轴转动的开合桥。竖转桥开启时,一端作为转动支点,另一端由水平位置向上升起,在立面划出一段圆弧轨迹。初期由于开合装置简陋沉重,人力操纵开合十分费时费力,竖转桥的应用远不如平转桥广泛。直到19世纪末,动力装置有了极大的进步,竖转桥开始表现出其特有的优势,获得巨大发展空间。
竖转桥的型式主要表现在转动支点处不同的支承方式和运动方式。支承形式为固定点支承、滚动面支承和滚轴支承。运动方式有三种,绕固定轴转动、滚动,以及滚动与纵向平移组合。工程师在此发挥了极大的想象力,创造出许多子类型。基本上,竖转桥的支承方式可以分为三种:1)固定轴支承,通过拖动主梁,使它绕固定轴竖向旋转,旋转中心尽量与旋转主梁结构的重心重合,并且在开合过程中基本保持固定。2)滚动线支承,主梁端部与滚轮相接,滚轮前后滚动,实现梁的开合,主梁重心在开合过程中沿桥纵向水平移动。3)滚子轴承支承,通过旋转轴附近的滚子轴承、摇杆装置,保持旋转中心固定,并与开合结构的重心重合。旋转中心保持固定,并与运动物体的重心重合。
竖转桥有单肢开合与双肢开合两种。单肢开合桥以主梁一端为支点,另一端沿立面圆弧轨迹移动开启桥面;双肢开合桥的主梁在跨中点处断开为对称的两段,分别以两岸的桥台为水平轴旋转开合。
提升桥
提升桥的开合是上部结构整体从桥台上提升,为大船让出净空通行。在大多数情况下,桥梁的重量是通过缆绳或链条提升。形象的说法,就是桥台放在两座升降机塔架上,两台升降机同步操作,实现桥梁的开合。
典型杰作
平转桥——法尔达内铁路大桥
(ElFerdanRailwayBridge)
法尔达内铁路大桥位于埃及伊斯梅利亚,跨越苏伊士运河,是一座平转开合桥。这里有过两座铁路大桥。老桥也是一座平转开合铁路桥,老桥长m,平转支点设在桥跨中央,开启时航道净宽为米,在年建成通车时,是世界上跨度最大的平转开合桥。年第三次中东战争期间,老桥被毁。年,埃及国家铁路以设计施工总承包的模式,投资万美元复建新桥。新法尔达内铁路桥在1年年底建成通车,桥总长米,跨径布置米-米-米。新桥是两座长度为米的独立平转桥,开启时航道净宽米。
新桥采用下承式桁梁,桁间距为11.4米,铁路以桥梁纵轴线为中心线铺设,两侧各有一个净宽3米的公路车道。苏伊士运河的航运远比埃及国家铁路繁忙,新桥建成后,大部分是开启状态(图3),只在特定的时间段运河断航,大桥闭合供汽车和火车通行。新桥的开合由三相电机驱动,单程(开启或闭合)大约30分钟。
图3照片来自
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