与石材一样古老的混凝土
作为建筑材料，混凝土的应用与石材泥土一样久远。
1985 年，在以色列北部的下加利利，一辆用于筑路清扫障碍的推土机揭开了一个考古遗址。1992 年至 2008 年期间，考古学家在此地开展了各种发掘和研究工作。他们发现了地面是用石灰混凝土筑成的。这种石灰混凝土先是通过燃烧石灰石制成生石灰，然后用水将生石灰与石头拌和，从而形成了石灰混凝土。人类最早使用混凝土的记录应当是这一记录，其时间大概在公元前 7000 年。
考古学家在中国西北部的甘肃省发现了早期的混凝土。这种混凝土是用碎陶片和碎骨头混合并凝固筑成的地面。其时间可以追溯到大约公元前 3000 年。
早期混凝土的制作工艺在埃及的底比斯壁画中有所呈现（图 1）。此壁画展现了砂浆以及混凝土的制造和使用的各个阶段，其时间大概为公元前 1950 年。在图的上部，建筑工人通过陶罐取水，接着把水与石灰混合从而制成砂浆。在图的下部，泥水匠们正在利用混凝土砌块以及砖砌墙。
图1
混凝土的历史和石材一样久远。然而，在史料记载中，很长一段时间里，混凝土都只是辅材，徘徊在主流建筑材料的边沿。例如，鼎鼎有名的罗马水道桥使用了混凝土，但其只是作为防渗漏材料，被涂抹在水渠的内侧，与承重结构没有关系。
古代建筑中让混凝土出彩的除了水道桥，还有罗马城中的万神殿。这座建筑已有近两千年的历史，到现在依然保持着无筋混凝土穹顶跨度达 43.3m 的世界纪录。罗马万神殿于公元 128 年建成，它是人类建筑史上的巅峰之作。浇筑这个穹顶的混凝土原材料取自意大利南部的那不勒斯。那里的火山活动留下了天然火山灰水泥、火山玄武岩和凝灰岩。古罗马工程师在浇筑穹顶时，从下往上一圈圈进行。下层使用结实的火山玄武岩碎石骨料，而顶部使用了最轻的凝灰岩。凝灰岩是火山喷发后形成的内部带孔碎屑岩，可被看作天然的轻质混凝土骨料。这些取自大自然的天然混凝土原材料，成为万神殿大穹顶成功的关键因素。
然而，火山灰混凝土的获取受地域限制。两千年前的交流和交通条件，限制了这项在罗马取得巨大成功的混凝土技术向外界广泛扩散传播。所以，尽管在辉煌时期，庞大的罗马帝国建造的许多建筑物中都使用了混凝土，但火山灰混凝土技术并未随着罗马疆域的扩大，传播到帝国的铁蹄所到之处。
罗马帝国在公元 476 年沦陷。之后，火山灰水泥失传了。在接下来的 1300 多年里，存在着用混凝土建造的城堡、城墙、教堂建筑等。然而，用石灰砂浆配制的混凝土与砖石结构相比，没有任何优势。混凝土材料大多被用于做地面或者建筑物的基础填充，很少被用来做主要承重结构。翻看历史文献可以发现，在 18 世纪以前的相关记载中，未曾有提到将混凝土作为主要材料来建造桥梁的内容。
今天，人们通过对罗马万神殿的结构进行有限元分析以及对材料进行研究后得知，万神殿的穹顶能够屹立近两千年，关键在于火山灰水泥的使用。当年那些建筑结构大师究竟是如何找到并得知这一诀窍的呢？或许是历经艰辛、踏破铁鞋之后的蓦然回首，又或许是毫不费力、轻松得来的。如今，这些都只能靠猜测，难以进行考证了。
钢材水泥——混凝土的筋魂
“混凝土”是现代汉语中才有的词汇。从字面意思去猜测，“混凝土”就是混合且凝固的“土”。在水泥还没有被发明之前，用石灰砂浆混合天然的砂石，使其凝固成型的砌块，其强度非常低，确实就像是“土”一样，只能被用来当作地面、填充物，或者用于大体量的砌体基础。而如今，混凝土在建材领域占据主导地位，成为土木工程各个应用分支中的超级明星，和 200 年前相比，差异巨大，简直不可同日而语。
今天的混凝土，砂依然是那些砂，石依旧是那些石，水也还是千年不变的水。不同之处在于，将砂石凝结成型的，是一种新的人造胶凝剂——波特兰（硅酸盐）水泥。这种 18 世纪发明的产品，能够把“土”变成“石”，给混凝土注入了精魂。有了石头一样的强度后，混凝土终于可以跻身主流，成为工业化进程中不可或缺的建筑材料。
在英吉利海峡以北的普利茅斯海岸，存在着一座英国的一级保护文物，那就是斯密顿塔。这座塔原本是在 1756 年建造在海水中的岩石上的，它曾是一座航标灯塔。它还是现代水泥发明的源头。在此之前，这里有过两座木塔，其中一座被风吹毁了，另一座被火烧毁了。灯塔建造专家约翰·斯密顿决定用石材重新建造这座塔，他需要一种凝结剂，这种凝结剂要和石头一样坚固，并且能够抵御海浪的浸泡。当时现代化学还没有诞生。然而，中世纪的炼金术流传下来的思维方法和试验手段，有很多是可以被借鉴的。斯密顿收集了英伦三岛以及欧洲大陆上各种流行的砂浆配方，并且对配方中的材料进行了不同的配比试验。经过一轮又一轮的尝试和犯错，最终，他把从南威尔士取来的石灰石与奇维塔韦基亚的意大利火山灰进行烧制，然后将它们混合在一起，这样就复制出了当年罗马帝国的高质量水泥。
斯密顿的研究为现代水泥奠定了基础。之后经历了多种材料配比以及生产工艺的优化改良。到了 19 世纪中叶，在那些快速工业化的国家，开始利用混凝土来作为承重结构，用于建造房屋和桥梁。
水泥能让混凝土变成石头，并且能够承受很高的压力；在混凝土中埋入钢筋，就像是给混凝土植入了筋骨，使这种人工石材具备了天然石材所没有的抗拉伸能力。据说在建造万神殿穹顶时，古罗马时代的工程师曾有过用加筋混凝土的想法，他们把青铜条埋入混凝土，想要以此来提升混凝土的强度，从而获得更薄更轻的穹顶。青铜不适合与混凝土协同工作，因为二者的温度膨胀系数相差很大，温度变化会使混凝土开裂甚至剥落，所以发明钢筋混凝土的机会被留到了 19 世纪。
18 世纪末至 20 世纪初期间，桥梁建设迎来了两个建设高峰，分别是运河时代和铁路时代。在这长达 100 多年的时间里，混凝土并未像钢材那般受到青睐。此时期的工程师尚未真正地认识到混凝土的特性，也未对其加以利用。他们所建造的混凝土桥，无论是在桥梁造型方面，还是在施工工艺上，都沿袭了圬工拱桥的经验，只是将砖石材料换成了混凝土。可以认为这是一个时期，在这个时期中，桥梁的建造材料从天然石材开始向人工石材转变。
预应力混凝土技术的突破
预应力在预应力混凝土大师看来只是极为简单的常识。尤金·弗雷西内觉得，射箭前拉弓这一行为就是预应力的一个实例。林同棪通过木桶的制作工艺对预应力进行了直观的解释，即利用环箍将木片箍紧，这就相当于对木片之间的接触面施加了预压应力，其作用是用来抵消装满水时的环向拉应力。
预应力混凝土技术并非由新理论引出而产生的发明创造，也不是因新材料开拓而形成的产品领域，更不是因攻克技术难关而推动的行业进步，而是融合了一系列发现、发明、改善以及创新等内容的一个新学科，此新兴学科为建筑史开启了一个全新的纪元。1886 年，第一个有关预应力混凝土的专利在美国被注册。到了 20 世纪下半叶，这项技术得到了广泛应用。从注册专利到技术广泛应用，一共走过了近 100 个春秋。
在工程历史文献里，都提及了预应力的发明人和专利注册人。然而预应力混凝土用钢材试验方法，都未将他们视为预应力混凝土技术最重要的贡献者。回顾历史可以得知，预应力混凝土技术在结构工程中获得成功，法国工程师尤金·弗雷西内是其奠基人。早期的实践者在他之前就在梁的受拉区施加预应力，他们成功地消除了使用初期的裂缝。然而，他们无法解释的是，在荷载并未增加的情况下，构件使用几个月后，受拉区依然会开裂，并且与未使用预应力的梁几乎没有差别。
弗雷西内最先发现了混凝土材料的徐变，并且提出了有效的解决办法。他认识到，要实现预应力的功效，就需要用高强低松弛钢筋当作预应力筋，以此来抵消混凝土结构的徐变。同时，他也意识到，提高混凝土的质量，是减小预应力损失的有效手段，所以他提倡用机器振捣来替代人工振捣混凝土。此后，在预应力混凝土桥梁的节段悬臂施工法领域的研发是围绕这两个基本元素展开的。
弗雷西内在 1930 年注册了一项专利，是“用钢丝施加预应力的混凝土”。在这之前，虽然有预埋在混凝土内的钢丝施加预应力这个技术，但它本身不能算是弗雷西内的新发明，之前也有不少类似的专利。不过，弗雷西内的这个专利与前人相比，有两个重要的特点。
1）说明了如何确定预应力钢筋的位置，以获得最佳的构件设计；
说明了量化徐变和收缩的预应力损失的方法，并给出了解决方案。
1939 年弗雷西内完成了一项专利并进行了注册，这是他最著名且最权威的专利，名为“后张法混凝土构件完整系统”。该专利囊括了后张混凝土构件的全部元素，包括锚固装置、管道、千斤顶和预应力筋（图 2）。
图2
弗雷西内并未发明预应力技术，他也不是第一个将该技术付诸实践的人。他洞察到了应用这项技术的奥秘，从而让预应力混凝土能够应用于几乎所有的结构构件。倘若对混凝土的徐变缺乏认识，就无法有效运用预应力技术；倘若克服徐变的方法代价过高，就无法高效使用预应力技术。
接下来是预应力混凝土技术呈现出百花齐放态势的一段时期。出现了各种关于锚固工艺、锚具、材料等方面的专利，其中有些确实对弗雷西内的工艺进行了改进，还有些是为了规避专利限制而作出的调整。二战结束后，开始恢复经济，重建家园，对被战争损毁的基础设施建设进行修复，这些情况都为预应力混凝土技术提供了极为广阔的应用空间。
预应力混凝土桥的崛起
1908 年，福特公司的 T 型车开始了大规模装配线的运作。这一举措开启了美国的公路时代。
汽车生产模式得到改进，成本降低了，产量提高了，这使得美国的汽车拥有量在短短几年内快速增长。早期 T 型车的拥有者，他们酷爱越野旅行，是冒险家；他们也是“良好道路运动”的推动者。被铁路取代的货运道路，因为汽车旅行者的推动，重新获得了重视。各州先后设立了公路建设管理部门。第一次世界大战更加凸显了公路运输的价值。从政府机构到民营企业，都对公路建设投入极大的热情。
公路时代初期的大跨度桥梁是以钢结构为主的。很多公路桥梁工程师之前是铁路桥梁工程师，所以许多早期的公路桥梁就采用了铁路桁架桥的型式。为了能尽量降低费用，桁梁这种结构，尤其是缀连杆件的桁梁桥是最为常见的。
如果预应力技术未成功应用，那么混凝土就只能和天然砖石处于同等地位，共同平分拱桥的天下；如果没有公路时代大量的桥梁建设，预应力混凝土技术就难以具备大规模且大范围进行研发和实施的条件。
下面这张图 3 形象地展示了美国的公路建设情况，尤其在高速公路建设方面，以及它与预应力混凝土桥梁的关联。
图3
这是笔者依据美国联邦公路署的桥梁统计数据库（NBI）整理出的统计图。NBI 是某个缩写。此数据库中有 20 世纪美国的所有公路桥梁数据。这些数据涵盖跨州国道、各州的高速公路、各州县城市的道路以及国家公园等位于联邦土地上的公路桥梁。基本数据包含桥梁的数量、桥型、材料和一般状况描述，还有年度的检修状况总结分析。
根据 NBI 收集的数据，20 世纪之前建成的桥梁，其用钢筋混凝土、预应力混凝土建造的桥梁的桥面面积，和用砖石与木材建造的桥梁的桥面面积差不多；20 世纪 20 年代时，在公路桥梁中，用钢筋混凝土建造的桥梁的数量超过了用钢材建造的桥梁。30 年代至 70 年代的 50 年间，之后钢材的使用量再次超过了混凝土，这大概是大跨度桥梁建设比重提升的缘由。从 60 年代起，预应力混凝土桥与普通钢筋混凝土桥所建造的桥面面积的总和和钢材建造的桥梁面积差不多。到了 80 年代，预应力混凝土桥在桥梁建设中已经占据了主导地位。
图 4 摘自“The and the of ”一文，它反映了在 20 世纪下半叶的 50 年中，桥梁建设里混凝土和钢材使用的变化趋势。
图4
这篇“州际公路与预应力混凝土桥梁的发展”总结了美国预应力混凝土技术与高速公路的关系：二战结束至 1956 年美国总统签署“高速公路法案”这十年间，美国建造的桥梁仅 2％用预应力混凝土作上部结构。2001 年一年，美国建造的桥梁 49％采用预应力混凝土上部结构。1956 年公路法案通过后，在 50 年间的跨州公路系统（国道）中建造了 47,000 座桥梁。这些桥梁里有 29％是预应力混凝土桥。
第一座预应力混凝土梁桥
1951 年，核桃路纪念桥（Lane）在费城建成通车。此桥是美国预应力混凝土梁桥的开端。它的设计几乎成为中小跨度公路简支梁桥的范例。直至今日，由类似的多片预应力简支梁构成的上部结构，依然是美国公路上最为常见的桥梁结构。核桃路纪念桥是三跨简支梁桥，其跨长的布置为 22.5 米加上 48.8 米再加上 22.5 米，换算成英尺就是 74 英尺加上 160 英尺加上 74 英尺。图 5 展示的是中跨的典型截面。
图5
比利时根特大学的教授、工程师古斯塔·马格内尔是核桃路纪念桥的设计师。1922 年起他在根特大学任教，教授钢筋混凝土结构设计。1926 年他建立了混凝土研究试验室（后更名为马格内尔试验室）。他是当时为数不多的在预应力混凝土结构领域既有深厚理论造诣又有丰富工程经验的大师。统计显示，到 1950 年时，在欧洲和美国范围内流传的、对预应力混凝土结构设计理论及实践进行阐述的书籍数量不超过 10 本，而马格内尔的著作“ ”就在其中。
1946 年，马格内尔应邀前往美国访问。此次访问为期三个月，期间，他除了举办多场技术讲座外，还参观了几家从事预应力混凝土技术研发和施工的企业，并且与一家名为（ ）的公司建立了联系。这家公司在当时的美国，是圆形预应力容器设计和施工领域的佼佼者。1948 年在核桃路桥梁项目里，有了马格内尔的协助。公司所提供的预应力混凝土梁桥方案，相较于当时颇为流行的拱桥方案，能够节约 30%的资金。而这个具有创新性的设计，为公司获取到了合同。
城市工程管理局是核桃路桥梁的业主。政府官员肩负着保护公众生命财产和安全的巨大责任，他们对这个极富创新的方案持极端审慎的态度。可以想象，公司为了让费城的城市工程管理官员接受预应力混凝土梁桥方案，付出了很多努力；而敢于接受这个大胆创新挑战的管理者，具备了卓越的远见卓识。
为确保可靠，马格内尔针对预应力主梁施工制定了严格的规程。他规定，混凝土的坍落度不能超过 50mm。同时，为保证混凝土振捣的质量，主梁的浇筑必须使用钢模板等。此外，马格内尔还设计了一个足尺梁的破坏试验。在这里见证了一个 49m 跨度预应力简支梁的破坏试验。
林同棪的荷载平衡法
马格内尔在某种程度上确实是美国预应力混凝土行业的重要人物。核桃路纪念桥获得成功，其中有他的一份直接功劳。并且，马格内尔试验室是“荷载平衡法”诞生的地方。
1953 年到 1954 年期间，当时担任加州大学伯克利分校教授的林同棪（Tung-Yen Lin）前往了布鲁塞尔。他在根特大学的马格内尔试验室进行研究。在对操作轮盘为预应力试验梁加载的过程中，林同棪察觉到了预应力筋转变为“内荷载”对弯矩的抵抗。随后，“荷载平衡法”开始在他的脑海中构思并逐渐形成。那一年，他把积累了多年的预应力混凝土研究成果汇总并形成了“预应力混凝土结构设计”这本书，在 1955 年于美国出版。这是第二本由美国本土自行出版（并非翻译或再版）的预应力混凝土结构设计方面的专著。
1956 年，艾森豪威尔总统签署了“高速公路法案”。从这之后，美国的公路桥梁建设开始迅速地扩张起来。因为建筑行业发展有着其历史渊源，所以桥梁建设展现出了十分明显的区域特点。在东北部地区，更多地使用钢桥；而在南部各州，更偏爱预制梁；在西部，更多的是使用现浇后张预应力箱梁桥。现浇梁也好，预制梁也罢，重要的一点在于要正确计算预应力混凝土梁在使用期间所具备的承载力，而这正是预应力混凝土技术能够得以普及推广的关键所在。
当时，预应力混凝土结构分析应用两种方法。一种是“弹性设计法”，另一种是“极限强度设计法”。这两种方法均在特定预设条件下使用特定计算公式。预应力混凝土材料本身为组合材料。预应力的施加会使构件内部的受力状况与变形相关联。构件还有收缩徐变的影响。计算过程包含多个相互关联的变量。遇到超静定结构时，设计大多只能采用试错法。整个过程繁琐且乏味，同时复杂又费解。在普遍使用计算尺的那个年代，每一次进行试算都属于很繁重的工作。如果不经过足够次数的试算，就很难实现合理的设计，也就难以获得经济效益。
一位加州的工程师形象地表示：“TY 将我们从满是数学公式的泥淖中拯救了出来。”1963 年预应力混凝土用钢材试验方法，在“预应力混凝土结构设计”的第二版里，林同棪提出了一种新的设计方法，也就是“荷载平衡法”（load-），如图 6 所示。这被视作是对超静定预应力混凝土构件设计方法的根本性变革。荷载平衡法把预应力转变成与外荷载“平衡”的“内荷载”。这个转变让工程师能够沿用早已习惯的方法，从而能够安全地、快速地、轻松地设计预应力混凝土构件。
图6
林同棪的荷载平衡方法在高速公路建设高峰期，对设计方法进行了变革，把预应力混凝土技术的应用推广到了最基层，这使得预应力混凝土建筑在之后的 30 年间实现了成倍增长。到现在，荷载平衡法依然是手算预应力构件的常用方法。
回顾预应力混凝土技术的发展历程，那些最为关键的贡献者，未必是专利的注册者。发明是很重要的，因为这是从无到有的过程。然而，要将一个发明推广到工程实际应用中，就需要提供便捷且易于操作的实施方法。弗雷西内、马格内尔、林同棪等人的卓越成就，最能诠释工程师的定义：工程师不一定非要发明出原本不存在的东西，他们凭借已有的发明和技术，为人类谋福祉。
本文刊载 / 《桥梁》杂志 2018年 第6期 总第86期
作者 /尹德兰
作者系原桥梁总工
编辑 / 陈晨
美编 / 赵雯
