“车轮上”的古与今——美国公路桥梁活载的变迁
剑起苍澜
艾森豪威尔总统,在他的第一个任期的回忆录《变革的任务1953年至1956年》(Mandate for Change 1953- 1956)中,对州际公路系统有如下预言:“(它)对美国经济的影响,在制造行业和建设行业创造的工作机会,尤其开发的乡村面积,将是无法计算的。”这则预言,即使已经过了60年,依然无比正确!
再续意难忘主题曲“公路”一词,对应的英文是Highway。对于Highway词条的定义是:A highway is any public road or other public way on land。即“Highway”是陆地上对大众开放的道路。中文用“公路”——公众的道路,实在精妙!
公路桥梁的活载也称为移动荷载,是在桥上通过的车辆和行人的重力对桥梁的作用,这个作用包括静力和动力效应两部分。早期的桥梁,移动活载只是行路的人,以及人力所能及的负重;通行条件较好的桥梁,移动活载也许是骑马的旅人,也许是饱餐了对岸青草的羊和牧童。接着,桥上的移动活载出现了“车”——人力车、马车、蒸汽车、内燃车、电动车等等。随着驱动能从“人—— 畜——煤——油——电”的过渡,车上装载的物品也越来越丰富。在某个经济腾飞的时期,人们开始用“客运”和“货运”来区分运输的功能。客运一直都是服务于
乡镇与城市之间,城市与城市之间流动的人;货运则从最初的轻型货物诸如邮政信件包裹、简单的生活用品、农副产品,逐渐变成矿石、煤炭、钢铁、机器、建材等工业原材料和成品。公路上活载的变迁,是工业革命的缩影,更是经济发展、社会变革的重要标志。
移动荷载是现代桥梁设计的控制指标。之所以此处特别标明“现代桥梁”,是因为在18世纪以前的桥梁,多为圬工拱桥。相对于当时的活荷载,圬工拱桥的设计由桥梁自身的重量控制。可以说,在通火车之前,砖石拱桥只要能够砌起来就算成功。与恒载相比,无论从静力效应还是动力效应,移动活载都可以忽略不计。在T.M.Charlton 所著《A History of Theory of Structures in the Nineteenth Century》一书中,曾经间接引用了法国结构力学奠基人、圣维南的学生拉维(M.Levy)的一段话,表明1869年前, 桥梁的强度计算只考虑恒载。据说是由于一次桥梁事故, 公共工程部(Minisry of Public works)修改了桥梁设计规定,要求必须将活荷载应力纳入桥梁强度设计。
早期公路桥梁设计的库柏活载
19世纪中叶是美国桥梁设计的一大转折点。1847年之前,几乎所有的桥梁设计都纯粹依赖经验。那个时期桥梁的建造大多使用木材。尽管在19世纪初,已经有了桥梁建筑原理的专
金素妍资料著,但大多数的大桥建造仍然是由经验丰富的木匠完成。到了19世纪50年代,应力计算方法开始被人们学习认识;同时,铁在很大程度上取代木材作为桥梁的建筑材料,这个时期也是美国铁路建设的高峰期。大部分的桥梁设计改由铁路工程师完成,同时,桥梁的制造及监管也由铁路工程师控制。随后不久,桥梁设计也转手到桥梁制造公司。每个桥梁制造公司有自己特殊的专长,拥有多项专利。这段时期建设的桥梁以铁路桥为主。
方铂深
在这个时期,桥梁的活载是以设计功能的方式,与桥梁的其他功能要求,如桥宽、平纵曲线,有时还包括桥梁的跨度,一起写入招标合同。桥梁设计采用的活载轴重, 轴距、加载方式等,均由设计桥梁的总工程师敲定。每座大桥都需要由桥梁建设承包商编制建造规范,大桥的设计活载,是建造规范中一个必不可少的内容。
莫问今朝
1873年,先是Clarke, Reeves & Co.,,接着George S. Morison为Erie铁路编制了规范(这也许是美国铁路的第一份印制并采用的规范)。在1875年,L.F.G.Bouiscaren为辛辛那提南方铁路制定了轮重集中力。1877年,Charles Hilton为Lake Shore and Michigan Southern Railway制定了桥梁设计规范;同年,C. Shaler Smith为Chicago, Milwaukee,St.Paul铁路制定了桥梁设计规范。1878年,西奥多·库柏(Theodore Cooper)
为Erie铁路制定了一个规范系列。几经修订后,这个规范系列获得广泛应用。这就是美国铁路库柏活载(也有译为古柏氏活载)的前身。
值得注意的是,这个时期的“公路”与我们现在所说的公路有较大差别。上世纪初,现代汽车尚未成为“一统” 公路的运输工具,“公路”被用各种动力驱动的“车”,如有轨电车、马车,人力车平分路面。一些次要公路,运营车辆的轴重远低于筑路机械的轴重。可以想象,桥梁设计时, 移动荷载的选择以及荷载组合是多么繁琐。背对背拥抱伴奏