近代土木工程

第二节　近代土木工程

近代土木工程的时间跨度为17世纪中叶至20世纪中叶（第二次世界大战前后），在这近300年的发展中，土木工程相关的科学理论、工程技术、材料和施工工艺及设备等方面均取得了跨越式的发展，土木工程逐渐成为一门独立的学科。

1638年，意大利学者伽利略出版的著作《关于两门新科学的谈话和数学证明》中论述了建筑材料的力学性质和梁的强度，首次用公式表达了梁的设计理论；1687年，英国科学家牛顿总结出了力学三大定律，为土木工程设计理论的发展奠定了基础；1744年，瑞士数学家欧拉出版的著作《曲线的变分法》中建立了柱的压屈理论，得到计算柱的临界受压力的公式，为分析土木工程中的稳定问题奠定了基础；1773年，法国工程师库伦发表了名为《建筑静力学各种问题极大极小法则的应用》的文章，阐述了材料强度的概念以及挡土墙的土压力理论；1825年，纳维建立了土木工程中结构设计的容许应力法；19世纪末，里特尔等人提出了极限平衡的概念，为土木工程结构理论分析奠定了基础。这些经典的科学理论成果构建了土木工程学科的基本理论体系，从力学和结构设计理论方面对土木工程起到了指导作用，为土木工程的发展奠定了坚实的基础。

材料科学的发展是土木工程发展的重要推动力，在近代土木工程发展过程中新材料的出现和应用无疑为土木工程打开了发展的空间。1824年，英国人阿斯普丁取得了波特兰水泥的专利权，1850年开始生产，作为生产混凝土的主要材料，水泥的出现使得混凝土在土木工程中得到了广泛应用，20世纪初，水灰比等学说得以发表，初步奠定了混凝土强度的理论基础；1859年，贝赛麦转炉炼钢法的发明使得钢材得以大量生产，并越来越多地应用于房屋、桥梁等工程中；1867年，法国人莫尼埃用钢丝加固混凝土制成花盆，并把这种方法推广到工程，建造了一座蓄水池，这是应用钢筋混凝土的开端；1928年，法国工程师费雷西内研制预应力混凝土成功，使钢筋混凝土结构向大跨方向发展成为可能。

18世纪下半叶，以瓦特发明蒸汽机为标志的工业革命促进了工业、交通运输业等行业的发展，对土木工程设施提出了更为广泛的需求，这不但为土木工程的发展提供了巨大的历史机遇，而且工业的发展为土木工程提供了更为先进的施工机械和施工方法，使得更为复杂、庞大的工程建造成为可能，尤其是蒸汽机、电动机在抽水、打桩、挖土、压路和起重等施工作业中的应用，开创了土木工程施工机械化和电气化的进程，为快速高效地建造土木工程提供了有力手段。

理论、材料、设备、技术等方面的不断进步，使近代土木工程中涌现出许多典型性的工程项目，许多大跨、高层和规模宏大的土木工程建筑相继建成。1779年，英国人用铸铁建成了跨度为30．5米的拱桥；1825年，蒸汽机车创制者英国人斯蒂芬森在英格兰北部斯多克斯和达林顿之间修筑了世界第一条铁路，长达21千米；1826年，英国人T．特尔福德用锻铁建成了跨度为177米的悬索桥；同年，英国开始在利物浦至曼彻斯特的铁路上修筑长1109米的隧道，这是世界第一座铁路隧道；1843年，法国工程师布津内尔用他首创的盾构法在英国伦敦泰晤士河底凿成世界上第一条现代水底隧道，长约366米；1863年，英国在伦敦建成了世界第一条地下铁路，长达7．6千米；1875年，法国人莫尼埃主持建造了世界第一座钢筋混凝土桥，长达16米；1879年，德国在柏林修建了世界上第一条可行驶电力机车的铁路线，长达274米；1883年，美国在芝加哥建造了高11层的保险公司大楼，是世界上最先用铁框架承受全部大楼里的重力、外墙仅为自承重墙的高层建筑；1889年，法国在巴黎建成的高300米的埃菲尔铁塔（图2－16），使用熟铁约8000吨，是近代钢结构高层建筑的萌芽；1914年，沟通大西洋和太平洋的巴拿马运河建成，长81．3千米，是世界上最长的水闸式运河；1931年，美国建成了高378米、共102层的纽约帝国大厦（图2－17），其保持世界第一高楼40年之久，标志着世界建筑科学技术的新发展，也是美国经济从萧条走向复苏的象征；1932年，澳大利亚建成了跨度为503米的悉尼港湾大桥，其为双铰钢拱桥，是世界上跨度和承载力最大的城市拱桥；1937年，美国建成了金门大桥（图2-18），其主跨达1270米，是世界上第一座跨度超过千米的大桥；1942年，德国建成了从科隆至波恩的全部立体交叉式四车道公路，长达3860千米，是世界上第一条高速公路。

图2－16　埃菲尔铁塔

图2－17　纽约帝国大厦

图2－18　金门大桥

图2－19　中山陵

在这一时期，由于清政府采取闭关锁国的政策，中国土木工程发展速度较为缓慢，直到洋务运动，才开始引入国外的一些先进技术，建造了一些有代表性的工程项目。1905年，在京汉铁路上建成了郑州黄河大桥，长3000多米，是当时国内最长的钢桁架桥；1908年，上海建成电话公司大楼，是当时国内第一座钢筋混凝土框架结构建筑；1909年，詹天佑主持兴建了长为201．2千米的京张铁路，沿程开凿了4条隧道，最长的八达岭隧道长1091米，是中国人自行勘测设计、修建的第一条铁路；1929年，占地133公顷的中山陵（图2－19）在南京建成，上有392级石阶和祭堂；1931年，在广州建成的中山纪念堂，跨度达30米，是我国近代跨度最大的建筑物；1934年，上海建成24层、86米高的国际饭店，是中国近代最高的高层建筑；1937年，我国建成了全长1453米的钱塘江桥（图2－20），是中国自行建造的第一座公路铁路两用钢桁架梁桥。

图2－20　钱塘江桥

最后，值得一提的是1906年美国旧金山大地震和1923年日本关东大地震，虽然它们给人类带来了巨大的灾难，但同时也推动了结构动力学和工程抗震技术的发展，促使土木工程学科日臻成熟。