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。
年，以色列北部的下加利利，一辆为筑路清扫障碍的推土机，揭开了一个考古遗址Yiftahel，随后在年至年期间，考古学家在此地进行了各种发掘和研究。他们发现了用石灰混凝土筑成的地面。这种石灰混凝土先用石灰石燃烧制成生石灰，再用水将生石灰与石头拌和，便形成石灰混凝土。这应是人类最早使用混凝土的记录，时间大约是公元前年。
考古学家也在中国西北部的甘肃省发现了早期的混凝土。那是用碎陶片、碎骨头混合凝固筑成的地面，时间可追溯到公元前年左右。
早期混凝土的制作工艺可以在埃及的底比斯壁画中看到（图1），该壁画展示了砂浆和混凝土的制造和使用的各个阶段，时间大约是公元前年。在图的上部，建筑工人用陶罐取水，将水与石灰混合制成砂浆。图的下部是泥水匠们正在用混凝土砌块和砖砌墙。
图1
尽管混凝土的历史与石材一样久远，但在史料记载中，混凝土在很长一段时期都只是辅材，在主流建筑材料的边沿徘徊。比如鼎鼎有名的罗马水道桥虽然用了混凝土，但那只是作为防渗漏材料，涂抹在水渠的内侧，与承重结构毫不相干。
除了水道桥，古代建筑最让混凝土出彩的，是罗马城中的万神殿。这座已有近两千年历史的建筑，至今仍然保持着无筋混凝土穹顶跨度的世界纪录（43.3m）。公元年建成的罗马万神殿，是人类建筑史上的 之作。浇筑这个穹顶的混凝土的原材料取自意大利南部的那不勒斯。那里的火山活动留下丰富的天然火山灰水泥、火山玄武岩、凝灰岩。古罗马的工程师一圈圈从下往上浇筑穹顶时，下层用结实的火山玄武岩碎石骨料，顶部用了最轻的凝灰岩。凝灰岩是一种火山喷发后形成的内部带孔碎屑岩，可以看作是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。
然而也正是因为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。因此，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。
罗马帝国在公元年沦陷，火山灰水泥便失传了。此后的多年里，尽管有用混凝土建造的城堡、城墙、教堂建筑等，但用石灰砂浆配制的混凝土与砖石结构相比没有任何优势，混凝土材料多半用来做地面或是建筑物的基础填充，少有用来做主要承重结构。翻看历史文献，在18世纪以前，未见提及有用混凝土做主要材料的桥梁。
今天,人们通过对罗马万神殿的结构有限元分析和材料研究得知,火山灰水泥的使用是万神殿的穹顶岿然屹立近两千年的关键。而当年的那些建筑结构大师,经过了怎样的寻找探得这一诀窍？也许是踏破铁鞋之后的蓦然回首，也许是不费工夫的轻松得来。如今都只能猜测，不易考证了。
钢材水泥——混凝土的筋*
“混凝土”应该是现代汉语才有的词。就字面望文生义，“混凝土”是混合、凝固的“土”。在水泥发明以前，用石灰砂浆混合天然砂石、凝固成型的砌块，强度很低，确实是“土”,只能用来做地面、填充物，或是大体量砌体基础。如今混凝土称霸于建材领域，成为土木工程各个应用分支的超级明星，与年前相比，何止天上地下。
今天的混凝土，砂还是那些砂，石还是那些石，水也是千年不变的水，不同的是，将砂石凝结成型的，是一种新的人造胶凝剂——波特兰（ 盐）水泥。这个18世纪发明的产品，点“土”成“石”，为混凝土注入了精*。混凝土有了石头一样的强度，终于能够跻身主流，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，有一座英国的一级保护文物——斯密顿塔。这原是建在海水中岩石上的一座航标灯塔。它是现代水泥发明的源头。这里之前有过两座木塔，一座被风吹毁，一座被火烧毁。灯塔建造专家约翰·斯密顿决定用石材重新筑塔。他需要一种和石头一样坚固的凝结剂，能够抵御海浪的浸泡。当时现代化学尚未诞生，不过中世纪的炼金术流传下来的思维方法和试验手段很多可以借鉴。斯密顿收集英伦三岛和欧洲大陆上各种流行的砂浆配方，将配方中的材料进行不同的配比试验。经过一轮一轮的试错，终于，当他将取自南威尔士的石灰石与奇维塔韦基亚的意大利火山灰烧制后混合在一起时，他复制出了当年罗马帝国的高质量水泥。
斯密顿的研究奠定了现代水泥的基础。此后历经各种材料配比、生产工艺的优化改良。到19世纪中叶,在快速工业化的国家,开始用混凝土作为承重结构建造房屋和桥梁。
水泥使得混凝土成为石头，可以耐受很高的压力；而在混凝土中埋入钢筋，则是为混凝土植入了筋骨，使得这种人工石材具备了天然石材缺乏的抗拉伸能力。据说在建造万神殿穹顶时，古罗马时代的工程师也有过用加筋混凝土的构想，他们将青铜条埋入混凝土，试图以此提高混凝土的强度，以便获得更薄更轻的穹顶。可惜青铜不是适合与混凝土协同工作的金属材料，二者的温度膨胀系数相差太大，温度变化导致混凝土开裂甚至剥落。这才把发明钢筋混凝土的机会留到了19世纪。
从18世纪末到20世纪初，桥梁建设经历了运河时代和铁路时代两个建设高峰。在这多年里，混凝土没有像钢材那样得到青睐。这个时期的工程师还没有真正认识和利用混凝土的特性，他们建造的混凝土桥，无论桥梁造型还是施工工艺都沿用圬工拱桥的经验，只不过用混凝土替代了砖石材料。可以认为这是桥梁的建造材料由天然石材，向人工石材转变的过渡时期。
预应力混凝土技术的突破
在预应力混凝土大师眼里，预应力只是十分简单的常识。尤金·弗雷西内(EugeneFreyssinet)认为，射箭前的拉弓就是预应力的一个实例。林同棪（Tung-YenLin）用木桶的制作工艺对预应力做了直观解释：用环箍将木片箍紧，相当于对木片之间的接触面施加预压应力，用以抵消装满水时的环向拉应力。
预应力混凝土技术不是新理论引出的发明创造，不是新材料开拓的产品领域，不是技术难关的攻克推动的行业进步，而是综合了一系列的发现、发明、改善、创新等等的一个新学科，这个新兴学科为建筑史开辟出一个新的纪元。从年， 个有关预应力混凝土专利在美国注册，到20世纪下半叶，这项技术的广泛应用，走过了近个春秋。
在工程历史文献中，虽然都提及预应力的发明人和专利注册人，不过都没有把他们算作预应力混凝土技术最重要的贡献者。回顾历史，预应力混凝土技术成功用于结构工程，法国工程师尤金·弗雷西内是奠基人。在他之前，早期的实践者在梁的受拉区施加预应力，成功消除了使用初期的裂缝，但却无法解释在荷载并未增加的条件下，构件在使用几个月后，受拉区照样开裂，与未使用预应力的梁几无差别。
是弗雷西内首先发现了混凝土材料的徐变，并提出了有效的解决方法。他首先认识到，需要用高强低松弛钢筋作为预应力筋，以抵消混凝土结构的徐变，才能实现预应力的功效；同时他也意识到，提高混凝土的质量，也是减小预应力损失的有效手段，因此他提倡用机器振捣替代人工振捣混凝土。自那时起，高质量混凝土和高强、低松弛预应力筋一直是预应力混凝土技术中两个最基本的元素。此后的各种高强钢丝、高性能混凝土、预应力的张拉工艺、锚具、预制混凝土构件、预应力混凝土桥梁的节段悬臂施工法等各个领域的研发，都是围绕着这两个基本元素展开的。
弗雷西内于年注册了“用钢丝施加预应力的混凝土”专利。虽然用预埋在混凝土内的钢丝施加预应力这个技术本身，不能算是弗雷西内的新发明。这之前曾有过不少类似的专利。不过与前人相比，弗雷西内的这个专利有两个重要的特点：
1）说明了如何确定预应力钢筋的位置，以获得 的构件设计；
2）说明了如何量化徐变和收缩的预应力损失，并提供了解决方案。
年弗雷西内完成并注册了他最 、最权威的专利：“后张法混凝土构件完整系统”，囊括了后张混凝土构件的全部元素：锚固装置，管道，千斤顶和预应力筋（图2）。
图2
弗雷西内没有发明预应力技术，也不是将这项技术付诸实施的 人。他发现了应用这项技术的奥秘，使得预应力混凝土可以用于几乎所有的结构构件。如果对混凝土的徐变没有认识，就不能有效使用预应力技术；如果克服徐变的方法代价过大，就不能高效使用预应力技术。
接下来是预应力混凝土技术百花齐放的一段时期。产生出各种有关锚固工艺、锚具、材料等的专利，有的确实对弗雷西内的工艺做了改善，有的则是为了规避专利制约作出的调整。二战结束后，恢复经济，重建家园，修复被战争摧毁了的基础设施建设，这一切，都为预应力混凝土技术提供了巨大的应用空间。
预应力混凝土桥的崛起
年，福特公司T型车的大规模装配线，开启了美国的公路时代。
汽车生产模式的改进，降低了成本，提高了产量，使得美国的汽车拥有量在短短几年内呈井喷式增长。早期T型车的拥有者，既是酷爱越野旅行的冒险家，又是“良好道路运动”的推动者。被铁路取代的货运道路，经由汽车旅行者的推动，又重新获得了重视。各州先后成立公路建设管理部门。 次世界大战更凸显了公路运输的价值。从*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都是钢结构。大多数的公路桥梁工程师都曾经是铁路桥梁工程师，因此许多早期的公路桥梁也沿用了铁路桁架桥型式。为了尽可能降低费用，桁梁，特别是缀连杆件的桁梁桥最为常见。
如果没有预应力技术的成功应用，混凝土就只能与天然砖石并列，平分拱桥的天下；如果没有公路时代的巨量桥梁建设，预应力混凝土技术也难以获得大规模大范围研发和实施的条件。
下面这张统计图（图3），形象地说明了美国的公路建设，特别是高速公路建设与预应力混凝土桥梁的关联。
图3
这是笔者根据美国联邦公路署的桥梁统计数据库（NBI）整理的统计图。NBI是NationalBridgeInventory的缩写，这里有20世纪美国的全部公路桥梁数据，包括跨州国道，各州的高速公路，各州县城市的道路，以及国家公园等所有位于联邦土地上的公路桥梁。基本数据包括桥梁的数量、桥型、材料和一般状况描述，以及年度的检修状况总结分析。
根据NBI收集的数据，在20世纪之前建成的桥梁，用钢筋混凝土、预应力混凝土建造的桥梁，桥面面积与用砖石和木材建造的桥梁的桥面面积大致相同；在20世纪20年代，公路桥梁中用钢筋混凝土建造的桥梁超过了用钢材建造的桥梁。随后的30年代至70年代的50年间，钢材使用量又反超了混凝土，这应该是大跨度桥梁建设比重增加的原因。从60年代开始，预应力混凝土桥与普通钢筋混凝土桥建造的桥面面积总和基本与钢材建造的桥梁面积相近。进入80年代，预应力混凝土桥已在桥梁建设中占据 优势。
摘自“TheInterstateHighwaySystemandtheDevelopmentofPrestressedConcreteBridges”一文的图4反映了桥梁建设在20世纪下半叶的50年里，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”，很好地总结了美国的预应力混凝土技术与高速公路的相互支撑和促进的关系：在二战结束至年美国总统签署的“高速公路法案”的十年间，美国建造的桥梁只有2％使用预应力混凝土作为上部结构。而仅在1的一年里，美国建造的桥梁中有49％采用预应力混凝土上部结构。自年公路法案通过以来，50年间的跨州公路系统（国道）建造了47,座桥梁，其中29％是预应力混凝土桥。
座预应力混凝土梁桥
年在费城建成通车的核桃路纪念桥（WalnutLaneMemorialBridge），是美国的预应力混凝土梁桥的起点。它的设计几乎成为中小跨度的公路简支梁桥的样板。直到今天，与之类似的多片预应力简支梁构成的上部结构，仍然是美国公路上最常见的桥梁结构。核桃路纪念桥是三跨简支梁桥，跨长布置为22.5m+48.8m+22.5m（74英尺+英尺+74英尺）。图5是中跨的典型截面。
图5
核桃路纪念桥的设计师是比利时根特大学的教授、工程师古斯塔·马格内尔。马格内尔自年起在根特大学任教，讲授钢筋混凝土结构设计，年建立混凝土研究试验室（后更名为马格内尔试验室），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。据统计，截至年，在欧洲和美国流传的、阐述预应力混凝土结构设计理论和实践的书籍不超过10本，其中就包括马格内尔的著作“PrestressedConcrete”。
马格内尔于年应邀访问美国。在为期三个月的访问时间里，除了多场技术讲座，马格内尔参观了几家预应力混凝土技术研发和施工的企业，并与一家名为Preload（PreloadCorporation）的公司建立了联系。Preload公司是当时美国圆形预应力容器的设计和施工头牌。年在核桃路桥梁项目中，借助马格内尔的帮助，Preload公司提供的预应力混凝土梁桥方案，比当时流行的拱桥方案节约资金30%。这个创新的设计为Preload公司赢得了合同。
核桃路桥梁的业主是城市工程管理局。负有保护公众生命财产和安全巨大责任的*府官员，对于这个极富创新的方案持极端审慎的态度。可以想象，为了使费城的城市工程管理官员接受预应力混凝土梁桥方案，Preload公司做了多少努力；而敢于接受这个大胆创新挑战的管理者，又具备了怎样的远见卓识！
为确保可靠，马格内尔为预应力主梁施工制定了严格的规程。他规定混凝土坍落度不得超过50mm，为保证混凝土振捣质量，主梁的浇筑必须使用钢模板，等等。此外，马格内尔设计了一个足尺梁的破坏试验。年10月25日，来自英国、比利时、墨西哥、加拿大、古巴以及美国17个州的近名工程师，在桥位附近的一个试验场地，见证了这个49m跨度预应力简支梁的破坏试验。
林同棪的荷载平衡法
说起来，马格内尔真是美国预应力混凝土行业的大功臣。核桃路纪念桥的成功，是他的一个直接贡献。除此之外，马格内尔试验室是“荷载平衡法”的孕育地。
-年间，时任加州大学伯克利分校教授的林同棪(Tung-YenLin)，前往布鲁塞尔，在根特大学的马格内尔试验室做研究。在操作轮盘为预应力试验梁加载的过程中，林同棪“看见”了预应力筋转变成“内荷载”对弯矩的抵抗，“荷载平衡法”开始构思形成。也是那一年，他将积累多年的预应力混凝土研究成果汇集成“预应力混凝土结构设计”一书，于年在美国出版。这是第二本美国本土自己出版（不是翻译或再版）的预应力混凝土结构设计专著。
年，艾森豪威尔总统签署“高速公路法案”，美国的公路桥梁建设开始极速扩张。由于建筑行业发展的历史渊源，桥梁建设表现出明显的区域特点：东北部更多用钢桥，南部各州偏爱预制梁，西部则更多使用现浇后张预应力箱梁桥。无论是现浇梁或是预制梁，重要的是正确计算预应力混凝土梁在使用期间的承载力，这是预应力混凝土技术能够普及推广的关键。
当时，预应力混凝土结构分析普遍应用两种方法，一种是“弹性设计法”，另一种是“极限强度设计法”。这两种方法都是在特定预设条件下使用特定计算公式。由于预应力混凝土材料本身是组合材料，预应力的施加使得构件内部的受力状况与变形相关，再加上构件的收缩徐变影响，计算过程涉及多个相互关联的变量，遇到超静定结构，设计基本上只能用试错法。整个过程既繁琐乏味，又复杂费解，在普遍使用计算尺的年代，每一次试算都是很繁重的工作，而不经过足够次数的试算，很难实现合理设计，获得经济效益。
一位加州的工程师形象地说：“是TY把我们从一大堆数学公式的泥沼中救出来。”年在“预应力混凝土结构设计”的第二版中，林同棪提出了一种新的设计方法，即“荷载平衡法”（load-balancingmethod），见图6。这被认为是分析超静定预应力混凝土构件设计方法的根本变革。荷载平衡法将预应力转换为与外荷载“平衡”的“内荷载”，这个转换使得工程师可以沿用习惯已久的方法，安全，快速，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的建设高峰期，通过对设计方法的变革，将预应力混凝土技术的应用推广到最基层，引发了预应力混凝土建筑在此后的30年间成倍增长。至今，荷载平衡法仍然是手算预应力构件的常用方法。
回顾预应力混凝土技术发展历程，那些最关键的贡献者，不一定是专利注册者。发明当然重要，那是从无到有；而要将一个发明普及到工程实用，需要提供方便易行的实施方法。弗雷西内、马格内尔、林同棪们的杰出成就， 地诠释了工程师的定义：工程师不一定要发明什么不存在的东西，他们利用已有的发明和技术，造福人类。
本文刊载/《桥梁》杂志年第6期总第86期
作者/尹德兰
作者系林同棪国际工程咨询(中国)有限公司原桥梁总工