作者：张 雷

“节用”思想

在追求效率、减少投入方面，墨子提出了“节用”的原则。“节用”即节约耗用，是墨子的基本思想之一。墨子的时代，王公贵族们过着锦衣玉食、裘马轻肥的奢侈生活。他们不仅生前铺张浪费，而且死后还要厚葬，极大地浪费了社会财富。贵族们如此穷奢极欲，大量耗费百姓的民力财力，使人民生活陷于困境。因此，墨子提出“节用”思想，认为节约了耗用，等于增加了财富。墨子主张衣食住行等，应该以适用为原则。饮食是为“充虚继气，强股肱，耳目聪明”；衣服是为“冬以御寒，夏以御暑”；车为“服重致远”，舟为济川谷；宫室是为“旁可以御风寒，上可以御雪霜雨露”。凡是超出了适用的程度，徒增费用，则违反了百姓利益，应该坚决取消。《史记·太史公自序》评论墨子“其强本节用，不可废也”，“要曰强本节用，则人给家足之道也。此墨子之所长，虽百家弗能废也”，认为墨子主张的加强实力、节约费用，是人们兴家致富的途径，是其他各学派都无法否定的真理。

墨子行旅图

设计原则

以尽量低的耗用，获得尽量高的效益，促进和展现了人类卓越的智慧。桥梁工程亦是如此，具有良好的经济性历来是桥梁工程师所遵循的重要原则之一。

我国《铁路桥涵设计规范》（TB 10002-2017／J 460-2017）中提出的基本设计原则为“安全可靠、先进成熟、经济适用、保护环境。”《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）要求的设计原则为“安全、耐久、适用、环保、经济和美观。”《城市桥梁设计规范》（CJJ 11-2011）中的设计原则为“安全可靠、适用耐久、技术先进、经济合理、美观协调。”国外对桥梁设计则强调3E原则，即效率（Efficiency）、经济（Economy）和美观（Elegance）三要素。可见，中外都将经济作为重要的桥梁设计原则之一。

一般而言，影响桥梁工程经济性的主要因素有：总体布置、结构形式、设计理论、建筑材料，以及施工方法。

总体布置

位于杭州的钱塘江大桥是第一座由中国工程师自行设计并监造的现代大型桥梁，于 1937 年建成通车。该桥经历过两次设计，第一次是在 1932 年，当时的浙江省建设厅委托铁道部顾问、美国桥梁专家华德尔（J.A.L Waddel）设计。第二次是在 1934 年，钱塘江桥梁工程处邀请茅以升任桥工处处长，在罗英、杨晹春等工程师的协助下，由茅以升重新组织钱塘江大桥的设计工作。桥工处本着经济、合理的原则，设计的方案与华德尔第一次设计提出的方案有几方面不同：一是桥位不同，桥工处选择在六和塔附近江面较窄、河床相对稳定的河段，缩短了水中的桥梁长度和桥梁总长度；二是桥跨布置不同，就江中主桥而言，华德尔方案的主桥采用 2 孔 89.3 m 和 27 孔 30.5 m 的不等跨度，水中墩有 28 个，桥工处则采用 16 孔 65.8 m 的等跨方案，水中墩减少到 15 个，不仅减少了水中桥墩和基础的工程量，而且钢梁跨度标准化，便于制造安装，后期也便于维修更换；三是桥面布置形式不同，华德尔设计方案为铁路和公路同层，桥工处则利用钢桁梁的结构特点，采用公路在上、铁路在下的双层桥面，减小了桥面宽度以及墩台基础的宽度；四是钢材品种不同，华德尔方案全部采用低碳钢，桥工处方案主桥桁梁的上、下平纵联，横联以及公路引桥采用低碳钢，主桥的主要受力构件和铁路引桥钢板梁则全部采用当时世界上质量最好的高强度低合金钢，其强度比低碳钢增加 50%，钢梁总重量减轻 24%，而且耐大气腐蚀性能是低碳钢的 3 倍，更有利于长久使用；五是造价不同，华德尔方案概算为 758 万银元，桥工处方案竣工决算为 547 万银元，显著节约了工程造价。

钱塘江大桥

结构形式

首创于我国的敞肩石拱桥，或称空撞券式石拱桥，是指拱上建筑为空腹式，即以一系列的小拱设置于主拱之上，代替以往笨重的实体撞券。这样不仅可以节省材料、减轻自重，从而减小主拱券厚度和墩台及基础的规模，而且增大了过水断面，更有利于行洪。建于隋代的赵州桥即为世界上现存最早的敞肩石拱桥。

赵州桥

我国江南水乡的古代石拱桥，由于距离采石场一般较远，而且地处长江三角洲冲积平原，桥下土质松软，承载力弱。根据这样的环境特点，发展出了节省材料的薄墩联拱石拱桥。薄墩是指拱券以及相邻两拱的拱脚间距很小，该处的刚度相对较小，现代则称为柔性墩。采用薄墩联拱结构的拱桥，当其中一孔的拱券上承受载荷时，可以把力和变形传递到相邻孔，使邻近孔结构协助承载。采用这种构造形式可以节省建筑材料，减轻结构重量，并减少水下工程的工作量。

绍兴泗龙桥

由埃菲尔设计的葡萄牙皮亚?马里亚桥（Pia Maria Bridge），证明了造价经济的桥梁，也可以同时是非常美观的结构。1875 年，葡萄牙皇家铁路为建造跨越杜罗河的桥梁举行过一次国际性的设计竞赛，递交上来的设计方案形式各异，造价也不同。其中有两个方案形式最为简单，估算的费用也最低。这两个方案中，又以埃菲尔设计的新月形拱桥更为美观，而且造价是最低的，比另一方案低了 31%。该桥于 1877 年建成，不仅结构合理、造价经济，而且形式非常优美，成为拱桥结构艺术的典范之一。这表明结构的经济与美观并不矛盾，优秀的设计思想和风格往往是在严格控制经济性的情况下发展的，对于经济性的追求激发了结构艺术的创作。

皮亚?马里亚桥

第二次世界大战使得德国大量桥梁在战火中被损毁，其中莱茵河上的桥梁几乎全都被毁坏。战争结束后，大量毁坏的桥梁急需维修或重建，促使工程师们研究新的桥梁结构形式，以求造价节省、建造高效。位于科隆的旧多伊兹桥（Deutzer Bridge）是一座悬索桥，在战争中上部结构被炸毁而仅剩桥墩。1948年该桥在原桥址上重建，新桥是第一座现代钢箱连续梁桥，采用与旧桥同样的跨度布置，利用了旧桥墩。由于主梁采用了先进的薄壁钢箱截面形式，不仅抗扭刚度大，而且用钢量节省，比旧桥少了三分之一。 

多伊兹桥

在二战之后桥梁重建的浪潮中，兴起的另一项技术是钢-混凝土结合梁结构。该种结构是由钢与混凝土两种材料组合而成的一种复合结构，主梁的底板和腹板采用钢材，发挥钢材抗拉强度高的特点，桥面板采用钢筋混凝土，充分发挥混凝土抗压强度高的特点。这种结构由于受力合理，能够充分发挥材料的性能，并能节省宝贵的钢材，因此得到了迅速推广，被大量应用于战后的重建工程中，取得了良好的经济效益。

我国在上世纪 60、70 年代，工程建设面临着资金不足、材料匮乏的窘境，尽量少用水泥和宝贵的钢材、建造圬工拱桥成为公路桥梁的首选。1964 年，无锡交通局桥梁工程队的苏松源从民间砖砌双曲墓穴的拱圈中得到启发，创造出双曲拱桥。这种拱桥将拱的横向也做成拱形曲面，从而形成若干个平行的空间拱形曲面。建造时采用预制钢筋混凝土小拱肋和拱波，组拼后再与现浇混凝土拱背形成拱圈。双曲拱桥结构轻盈，用料经济，适合在江南较软的地基上建造，因此很快得到大范围推广，为我国交通建设和经济发展作出了重要贡献。

长沙湘江大桥（双曲拱桥）

美国加利福尼亚州北部曾经计划建设奥本水坝，为了连接水库两岸的公路，还需建造一座桥梁，即K.C.鲁克桥（Ruck-A-Chucky Bridge）。水库水深将达 137 m ，在如此深的水中修建桥墩极为困难。此外水库两岸的公路是沿岸走向，如果建造一般的直桥，桥头两端需设曲线引道，引起两岸山体的大量开挖，并且易导致山体坡脚失稳，不仅风险高，而且浪费巨额投资。对于此桥，著名桥梁专家林同炎提出了一个非常新颖而大胆的方案。该方案是一座主跨约410m的曲线斜拉桥，由几十根斜拉索承载，斜拉索呈曲面布置，直接锚固于两岸的岩石上，无需再在水库中建造深水桥墩。因为桥是曲线的，可以将岸边的公路U形连接，避免了对山体的大量开挖。该方案不仅以最为经济的结构达到了跨越障碍、连接交通的目的，而且造型优美，是经济与美观融合的典范。

Ruck-A-Chucky Bridge（方案）

连接丹麦和瑞典的厄勒海峡大桥（?resund Bridge）采用双层桥面结构，上层为混凝土桥面板，由钢主桁的上弦杆直接支撑。该结构形式不仅用混凝土替代了昂贵的正交异性钢桥面，而且在钢桥中常见的次纵梁和横梁也都被省略掉，取得了很好的经济效果。

厄勒海峡大桥

一般悬索桥的重力式锚碇具有巨大的体积，而丹麦大贝尔特桥（Great Belt Bridge）的锚碇设计则采用了新颖的结构形式。经过仔细研究，将锚碇设计为锚固主缆的混凝土三角形框架和一个支承引桥的竖直墩柱组成，不仅一改传统悬索桥锚碇笨重的形象，而且充分发挥了结构上的效能。

大贝尔特桥

瑞典高海岸大桥（H?ga Kusten Bridge）是一座主跨1210m的悬索桥，该桥首先开发了一种岩孔锚，利用地质条件，将主缆分散到各个岩孔内，再进入锚固室，从而锚固于坚硬的岩层之中，既简单又经济，比重力式锚碇节省了大量材料。

高海岸大桥

笔者在设计朔黄铁路公司神华路人行桥时，将外锚式斜拉桥背索的锚碇设计为形如倒置钉帽的结构，并深埋于填土之中，利用填土压重起到重力锚固作用，从而节省了结构材料用量。

朔黄铁路公司神华路人行桥

设计理论

结构计算分析理论的发展，可以指导工程师对桥梁结构进行更精确的分析，从而可以设计出更加经济合理的结构。以悬索桥为例，早期的悬索桥计算分析采用线弹性理论，该种理论忽略了杆件微小变形对内力的影响，适用于结构刚度较大、变形较小的情况。对于早期跨度较小且加劲梁刚度相对较大的悬索桥，线弹性理论基本可以满足设计的需要。但随着悬索桥跨度的增加、加劲梁相对柔细程度增大等因素的影响，采用线弹性理论引起的误差已不容忽略，计算结果与结构实际受力情况的偏差将越来越大，一般情况下计算的内力较实际内力偏大，因而结构设计的经济性欠佳。二十世纪初发展出悬索桥分析的挠度理论，该理论考虑悬索竖向变形后对内力的影响，计算出的加劲梁弯矩较线弹性理论结构要小很多，更接近结构的实际受力状态。因此，设计大跨度悬索桥时，采用挠度理论可以比采用线弹性理论节约材料。第一座采用挠度理论设计的悬索桥是位于美国纽约的曼哈顿大桥（Manhattan Bridge）。与其旁边的采用线弹性理论设计的布鲁克林大桥（Brooklyn Bridge）相比，曼哈顿桥显得非常纤细轻盈。此后，挠度理论被广泛应用于大跨度悬索桥的设计分析中，包括曾长时间占据世界跨度记录的美国金门大桥等，取得了很好的经济效益。现代悬索桥分析进一步发展到采用有限位移理论的矩阵位移法，可以综合考虑体系节点位移以及轴力效应等的影响，是目前普遍采用的方法。

曼哈顿大桥（左）与布鲁克林大桥（右）

建筑材料

建筑材料的发展，也往往成为推动桥梁经济性进步的重要因素之一。工业革命之后，人们需要建造大量的工业与民用建筑，从而开始探索采用新的、廉价的建筑材料。1824年，英国人约瑟夫·阿斯帕丁（Joseph Aspdin）发明了具有高可塑性和高强度，并且廉价的波特兰水泥，为发展现代混凝土奠定了基础。法国工程师艾纳比克受到一位园丁用波特兰水泥与铁丝网组合制作花盆的启发，首次采用钢筋混凝土建造了图书馆的拱顶。之后，钢筋混凝土作为一种性能优越、便于生产和施工，而且造价非常经济的新型建筑材料，被广泛应用于包括桥梁的建筑结构中。罗伯特·马拉尔是采用钢筋混凝土建造桥梁的先驱之一，他是20世纪第一位完全不用传统砖石结构的设计师。马拉尔设计了一系列堪称经典的混凝土桥，这些桥梁充分发挥了混凝土材料的特点，结构轻盈、造型优美，达到了 “用料最省、造价最低、外观最美”的结构艺术标准。

萨尔基那山谷桥

另一位混凝土结构大师是法国的尤金·弗雷西内，他也是预应力混凝土的发明者。他早期的工程大多建造在法国中南部荒凉的山区，受到条件限制，他必须寻求尽量经济的材料与结构形式，以最少的成本最大化满足需求。在这种设计思想的指引下，他设计了一系列经济而又美观的桥梁，例如1907年设计的勒弗尔德桥（Veurdre Pont）。当时在阿列河上有三座需要更换的老悬索桥，公路局最初设计了一座石桥，由于拨款有限，只够修建这一座桥。弗雷西内在经过仔细研究后提出由他来设计，并强调如果采用他的设计，可以用这笔拨款建起三座桥。弗雷西内设计的每座桥都是三跨的三铰钢筋混凝土拱桥，中跨72.5m，是当时世界上跨度最大的钢筋混凝土桥。桥的用料非常节省，结构轻盈美观，只有特别考虑经济时，才可能设计出如此轻盈的桥梁。

勒弗尔德桥

弗雷西内在1928年将高强钢丝用于预应力混凝土，实现了在混凝土中保持永存预应力，开创了现代预应力混凝土技术。由于预应力混凝土能够克服钢筋混凝土结构的裂缝问题，建造中小桥时，结构更加轻盈美观，建造大跨度桥梁时，更是普通钢筋混凝土所难实现。以往必须采用钢结构才能建造的桥梁，也可以采用预应力混凝土结构，不仅造价经济，而且后期维护工作量大大减少。

1909年建成的美国纽约昆斯桥（Queensboro Bridge）连接长岛和曼哈顿跨越东河，是一座悬臂钢桁梁桥。该桥第一次采用低合金钢，强度比以往的碳素钢提高了40%，因而大大减少了用钢量。

昆斯桥

施工方法

采用先进的，或者是更巧妙的施工方法，也可以降低桥梁的建设成本。例如石拱桥施工一般是在木制拱架上砌筑拱券，拱架采用满布时，会耗费大量的木材。为了节约拱架的用量，有的在桥墩侧面预留出孔洞，插入木料支承拱架，也有预留出几块凸出的石块，作为木拱架的支承点。为了进一步节省拱架，还有些石拱桥的下半个拱券与墩身一同砌筑，逐渐向跨中悬挑，待砌筑中部拱券时再搭设拱架。四川省宝兴在修建现代石拱桥时，充分利用了两座古代桥梁遗留的石笼基础，将拱架木柱支承在石笼上，跨度达70m。可见即便是修筑石拱桥，也都处心积虑地力求经济。

宝兴石拱桥桥施工支架

施工方法的进步也促使悬索桥用经济的混凝土桥塔代替昂贵的钢桥塔。在20世纪中叶以前的大跨度的悬索桥，限于当时的建造技术，几乎全部采用钢桥塔。较著名的有乔治·华盛顿大桥、旧金山-奥克兰海湾大桥、金门大桥等。随着混凝土浇筑技术在高耸结构物领域的发展，特别是模板技术的发展，欧洲首先在大跨度悬索桥上采用更为经济的混凝土桥塔。1959年，主跨608m的法国坦卡维尔桥（Tancarville Bridge）采用混凝土修建桥塔。随后在1970年，主跨600m的丹麦小贝尔特桥（Little Belt Bridge）采用了混凝土桥塔。1981年建成的英国亨伯尔桥（Humber Bridge）也采用了混凝土桥塔，其1410m的跨度为当时世界第一大跨度，并将这一记录保持了17年之久。至今，除日本出于国情继续使用钢桥塔外，包括我国在内的世界范围的悬索桥，采用混凝土桥塔已成为主流。

亨伯尔桥

我国铁路积极推进桥梁工程建设的设计标准化和制造安装工业化。对常用跨度的简支梁一般都采用在工厂或制梁场整片或整孔制造，利用架桥机架设。铁路建设由于采用了标准化设计和建造，加快了建设速度、提高了工程质量，取得了显著的技术经济效益。